Mašinski fakultet Sarajevo Univerzitet u Sarajevu MATERIJALI 1. prezentacija predavanja za šk.god. 2009/2010

Mašinski fakultet Sarajevo Univerzitet u Sarajevu MATERIJALI 1 prezentacija predavanja za šk.god. 2009/2010 predavanja pripremio viši asistent Ismar HAJRO mr. dipl.ing.maš. KRATAK PREGLED KURSA MATERIJALI 1 1. Mašine kao tehnički sistemi 2. Uvod u nauku o materijalu 3. Strukturna građa atoma 4. Vrste atomskih veza 5. Kristalna struktura metala 6. Očvršćavanje metala Kristalizacija 7. Greške u kristalu 8. Difuzija u čvrstim tijelima 9. Strukturna građa legura 10. Elastične i plastične deformacije kristalnih tijela 11. Oporavljanje i rekristalizacija hladno deformisanih metala 12. Krive hlađenja i ravnotežni dijagrami stanja 13. Ravnotežni dijagram stanja željezo-ugljenik (Fe-C) 14. Mehanizmi povećanja čvrstoće čelika Mehanizmi ojačavanja 15. Fizikalna svojstva materijala 16. Fazne transformacije u sistemu željezo-ugljenik (Fe-C) Obratiti posebnu pažnju; česta ispitna pitanja Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 2 1

1. MAŠINE KAO TEHNIČKI SISTEMI Predavanja Prof. Omera Pašića Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 3 2. UVOD U NAUKU O MATERIJALU Predavanja Prof. Omera Pašića Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 4 2

3. STRUKTURNA GRAĐA ATOMA RUTHERFORD-BOHR-ov MODEL ATOMA Primjer Azota (Nitrogena) Broj protona = atomski broj (redni broj kem. elementa), Z Broj neutrona = neutronski broj, N N + Z = A - atomska masa Azot (Nitrogen) Z= 7, N= 7, A= 14 Elementarna čestica Znak čestice Masa, [g] Relativna masa, # Naelektrisanje čestice, [C] Relativno naelektrisanje,# Proton p + 1,673 x 10-24 1 +1,602 x 10-19 +1 Neutron Elektron n o e - 1,675 x 10-24 0,109 x 10-28 1 0 0 +1,602 x 10-19 0-1 Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 5 3. STRUKTURNA GRAĐA ATOMA OSNOVNE KARAKTERISTIKE I POJMOVI Jezgro atoma (protoni i neutroni) je nosioc mase (posjeduje veliku gustinu obzirom na mali pečnik). Oblak elektrona definira zapreminu atoma iako posjeduje znatno manju masu od jezgre. Vanjski (valentni) elektroni određuju većinu električnih, mehaničkih, kemijskih i termičkih osobina! Stabilnost elementa definirana odnosom N/Z (broj neutrona / broj protona) Stabilni elementi (jezgro atoma) sa odnosom N/Z ~ 1 Nestabilni elementi - Izotopi (jezgro atoma) sa odnosom N/Z >= 1 Radioaktivni elementi = nestabilni elementi podliježu samoraspadanju Atomski broj odgovara broju protona. U neutralnom atomu broj protona je jednak broju elektrona! Npr: Z=1 za H (hidrogen ili vodik)... ili Z=111 za Rg (rentgenijum) Avogadrov broj broj atoma u jednom molu nekog elementa; N A = 6,023 x 10 23 Mol [mol] (jedinica) količina supstance sa brojem atoma kao u 12 g (grama) izotopa ugljika C12. 1 mol supstance uvijek sadrži skoro istu atomsku ili molekularnu masu (molarnu masu) izraženu u gramima. Npr: atomska masa željeza (Fe) je 55,847, pa tako jedan mol željeza posjeduje masu od 55,847 grama! Jedinična atomska masa [u] (jedinica) predstavlja masu 1/12 mase atoma ugljika C12. 1 u = g N -27 1 1,66053886 10 kg A ~ odgovara masi protona i neutrona kao što je dato u prethodnoj tabeli, stim da je vrijednost data u 10-24 g Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 6 3

3. STRUKTURNA GRAĐA ATOMA FOTON I KVANT ENERGIJE Zakon kvantne mehanike Kratki pregled Elektroni se orbitalno kreću oko jezgre atoma po orbitama, tj. elektronskim nivoima (Zakon kvantne mehanike) Pri prelazu na niži energetski nivo, elektron (vodika kao na slici) će emitovati sasvim određenu veličinu, kvant - energije u obliku elektromagnetnog zraćenja koja se naziva Foton. Absorbovana energija Emitovana energija Prelaz elektrona sa jednog energetskog nivo na drugi Vrijednost Plankove konstante: h= 6,626 x 10-34 Js = 4,135 x 10-15 evs Frekvencija Fotona: ν= 10 +15 10 +17 Hz (x-zrake ili Roentgen zrake) Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 7 3. STRUKTURNA GRAĐA ATOMA SPEKTAR ELEKTRO-MAGNETNIH TALASA (EMT) hc E = λ c υ = λ E = hυ Zajedničko za sve elektro-magnetne talase brzina (svjetlosti) kretanja (c): c= 299.792.458 m/s ~ 300.000 km/s E- energija EMT h-plankova konstanta c-brzina svjetlosti λ-talasna dužina EMT ν-frekvencija EMT Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 8 4

3. STRUKTURNA GRAĐA ATOMA KVANTNI BROJEVI 4 kvantna broja definiraju energetsko stanje atoma Glavni kvantni broj n (1, 2, 3, 4... 7...) Elektroni su raspoređeni po ljuskama u skladu sa Zakonom kvantne mehanike, pri čemu je maksimalan broj elektrona u ljusci određen sa 2n 2, gdje je n broj ljuske (Glavni kvantni broj) Sporedni kvantni broj L (0, 1, 2, 3,4... n-1; ili s, p, d, f, g...) Određuje oblik atomske orbitale, te snažno utiće na kemijske veze, kao i na uglove između veza. s-sharp, p-principal, d-diffuse, f-fundamental... (na osnovnu kvaliteta svijetla i linija elektro-magnetnog spektra...) Magnetski kvantni broj m L (-L,... 0... L) Određuje pravac vektora obrtnog momenta elektrona oko jezgre atoma Kvantni broj spina m S (+1/2, -1/2) Određuje obrtanje elektrona oko vlastite ose Paulijev Princip - Princip isključivosti atomske teorije: bilo koja dva elektrona ne mogu imati istu grupu od četiri kvantna broja! ENERGETSKA STRUKTURA METALA I NEMETALA METALI mali broj elektrona u spoljnoj ljusci (3 ili manje) obrazuju katjone (npr. Fe+) gubitkom elektrona niska elektronegativnost NEMETALI imaju četiri ili više elektorna u spoljnoj ljusci obrazuju anjone primajući (npr. O-) elektrone visoka elektronegativnost Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 9 3. STRUKTURNA GRAĐA ATOMA PERIODNI SISTEM ELEMENATA Primjer 1 (eng.) Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 10 5

3. STRUKTURNA GRAĐA ATOMA PERIODNI SISTEM ELEMENATA Primjer 2 (bos.) Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 11 4. VRSTE ATOMSKIH VEZA Zašto nastaju atomske veze? Atomske veze nastaju zato što atomi u vezanom stanju posjeduju smanjenu potencijalnu energiju u odnosu na slobodno stanje, tj. atomi u vezanom stanju su u stabilnijem energetskom stanju nego kad su slobodni! TIPOVI KEMIJSKIH VEZA - JAKE KEMIJSKE VEZE - KOVALENTNA VEZA - POLARNA KOVALENTNA VEZA - JONSKA VEZA - OSTALE JAKE VEZE - KOORDINIRANA KOVALENTNA VEZA - POLIATOMSKI JONI - KEMIJSKE VEZE VIŠE OD DVA ATOMA - AROMATSKA VEZA - METALNA VEZA -MEĐUMOLEKULARNE VEZE - VEZE PERMANENTNIH DIPOLA - VODIKOVA VEZA - VAN-DER-WAALS VEZE DIPOLA - KATION-PI UTICAJ PRIMARNE ATOMSKE VEZE PARAMETRI ATOMA KOJI ODREĐUJU ATOMSKE VEZE Energija jonizacije energija potrebna da bi se ukloni elektron iz neutralong atoma Afinitet prema elektronima promjena energije kada neutralni atom privuće elektron i postane negativni jon Elektronegativnost sposobnost atoma da privuće elektrone, (kod metala niska, a kod nemetala visoka) Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 12 6

4. VRSTE ATOMSKIH VEZA PRIMARNE ATOMSKE VEZE JONSKA VEZA Jonske veze nastaju između jona, odnosno: visoko elektropozitivnih elemenata (metala) i visoko elektronegativnih elemenata (nemetala) Jonske vezujuće sile= elektrostatičke sile ili Kulonove sile (Kulonov zakon): F C q q 1 q q = kc = r 4πε r 1 2 1 2 2 2 k C [Nm 2 /C 2 ] kulonova konstanta, ε [C 2 /Nm 2 ] električni permeabilitet q 1, q 2 [C] električni naboj tijela (npr. jona) 1 i 2 r [m] udaljenost između tijela (npr. jona) Elektronegativnost Na= 0,93 Elektronegativnost Cl= 3,16 Usljed velike razlike u elektronegativnost (2,23) nastaje jonska veza Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 13 4. VRSTE ATOMSKIH VEZA PRIMARNE ATOMSKE VEZE JONSKA VEZA SILA I ENERGIJA VEZE(A) npr. za NaCl (u gasnom stanju)...između jona E P = 4,26 ev r 0 = 0,236 nm F= 0...između oblaka elektrona Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 14 7

4. VRSTE ATOMSKIH VEZA PRIMARNE ATOMSKE VEZE KOVALENTNA VEZA Kovalentne veze nastaju između atoma sa malim razlikama u elektronegativnosti, i koji su bliže jedan drugom u Periodnom sistemu elemenata. Atomi zajednički koriste spoljne elektrone, tako da svaki atom dobija elektronsku konfiguraciju plemenitog gasa (popunjena zadnja ljuska)! Primjeri kovalentne veze: - jednostruke kovalentne veze (molekule nemetala): H 2, Cl 2, F 2,... - spojevi nemetala: CH 4, H 2 O, HNO 3,... - višestruke kovalentne veze: C (dijamant), Si, Ge... Mogući broj kovalentnih veza za jedan atom: 8 - N gdje je N broj valentnih elektrona valentni elektroni elektroni iz vanjske ljuske koji mogu biti primljeni ili izgubljeni npr: za ugljik, N = 4; broj kovalentnih veza: 8 4 = 4 Primjer kovalentne veze: CH 4 -metan Kubna kristalna rešetka dijamanta Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 15 4. VRSTE ATOMSKIH VEZA PRIMARNE ATOMSKE VEZE METALNA VEZA Metalne veze karakterišu čvrste metale, pri čemu se atomi slažu relativno gusto na sistematičan način u kristalnu strukturu. Valentni elektroni nisu čvrsto vezani sa bilo kojim posebnim jezgrom raspoređeni su u obliku elektronskog oblaka male gustine (elektronsko gasa) Elektroni se ponašaju kao ljepilo za pozitivne jone jezgre atoma! Velika električna i toplotna provodnost metala potvrđuje teoriju da su neki elektroni slobodni da se kreću kroz rešetku metalnog kristala. Električna i toplotna provodljivost se mijenja sa promjenom temperature! Atomi metala (u metalnoj vezi) mogu da klize jedan preko drugog, a da se ne razori potpuno metalna veza ovo svojstvo metalne veze omogućuje metalima (legurama) sposobnost deformacije! Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 16 8

4. VRSTE ATOMSKIH VEZA USPOREDBA PRIMARNIH VEZA Jonska veza (Kulonove sile) Kovalentne veze (atomi razmjenjuju eletrone) Metalne veze (elektronski oblaci) Veze između metala (Na + ) i nemetala (Cl - ), Karakteristike: npr. kod keramičkih materijal velike energija veze: 600-1500 kj/mol visoke temperature topljenja obzirom na mali broj slobodnih elektrona ponašaju se kao termički i električni izolatori Veze molekula nemetalnih atoma (H 2, CH 4, H 2 O, HNO 3 ) Karakteristike: npr. kod dijamanta od slabih do jakih: 450-750 kj/mol širok opseg temperatura topljenja obzirom na mali broj slobodnih elektrona ponašaju se kao termički i električni izolatori Veze između metala (elektroni ne pripadaju ni jednom atomu, već su manje ili više slobodni) Karakteristike: npr. kod željeza od slabih do jakih: 70-850 kj/mol širok opseg temperatura topljenja obzirom na slobodne elektrone metali su dobri provodnici električne struje i toplote Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 17 4. VRSTE ATOMSKIH VEZA AGREGATNA STANJA - Pregled Čvrsto stanje Tečno stanje Gasovito stanje Plazma topljenje kristalizacija isparavanje sublimacija kondenzacija jake veze među atomima, mala kinetička energija atoma (osciliraju oko svojih položaja), volumen i oblik su konačni, nekompresibilnost, tečenje otežano, mehaničke osobine (čvrstoća, tvrdoća,...), fizikalne osobine (gustina, temperatura topljenja,...) slabe veze među atomima, povišena kinetička energija atoma (atomi se relativno slobodno kreću), volumen je konačan, a oblik je određen prostorom koji materija zauzima, nekompresibilnost, tečenje moguće, fizikalne osobine (gustina, temperatura ključanja, viskozitet, površinski napon, pritisak isparavanja,...) veoma slabe veze među atomima, visoka kinetička energija atoma (atomi se brzo i haotično kreću), volumen i oblik nisu konačni, visoka kompresibilnost, fizikalne osobine (niska gustina, pritisak u širokom opsegu,...) visoko pregrijan i jonizovan gas, veoma slabe veze među atomima, izuzetno visoka kinetička energija atoma, visoke temperature (i do 30.000 C...) Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 18 9

4. VRSTE ATOMSKIH VEZA AGREGATNA STANJA - Dijagram faza i trojna tačka, na primjeru vode (H2O) Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 19 5. KRISTALNA STRUKTURA METALA Fizička struktura čvrstih materijala od tehničkog značaja zavisi uglavnom od rasporeda atoma ili molekula koji izgrađuju čvrsto tijelo i jačine veza između njih. Ako su atomi ili joni čvrstog tijela raspoređeni u raspored koji se ponavlja u tri dimenzije, oni obrazuju čvrsto tijelo za koje se kaže da ima kristalnu strukturu i opisuje se kao kristalno čvrsto tijelo. Primjeri kristaličnih materijala su metali, legure i nekoliko keramičkih materijala. KRISTALIZACIJA Temperatura Generalno, razlikujemo dva tip strukture čvrstih materijala: kristalnu i amorfnu Vrijeme Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 20 10

5. KRISTALNA STRUKTURA METALA ELEMENTARNA ĆELIJA Elementarna ćelija je oblika prostorne rešetke, i ista se dobija pomjeranjem tačke u prostoru u tri različita pravca za veličinu a 0, b 0 i c 0 koji se nazivaju parametri rešetke. Veličina i oblik osnovne ćelije mogu se opisati pomoću tri vektora a, b i c, koji polaze od jednog ugla osnovne ćelije. Dužine duž osa a, b i c i uglovi između osa α, β i γ su konstante rešetke osnovne ćelije. Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 21 5. KRISTALNA STRUKTURA METALA KLASIFIKACIJA PROSTORNIH REŠETKI Prema odnosu veličina parametara: a, b, c, i uglova: α, β i γ, sve kristalne strukture mogu se prikazati u: 14 vrsta jediničnih ćelija, razvrstanih u: 7 osnovnih kristalnih sistema. Osnovni kristalni sistemi Vrste jediničnih ćelija Bravijis-ove rešetke Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 22 11

5. KRISTALNA STRUKTURA METALA KARAKTERISTIKE PROSTORNIH REŠETKI Većina glavnih metala (oko 90%) kristališe pri očvršćavanju u tri gusto složene kristalne strukture: - prostorno (zapreminski)-centriranu kubnu, ZCK - površinski-centriranu kubnu, PCK i - gusto-složenu heksagonalnu, GSH Većina metala kristališe u ovim gusto-složenim strukturama zbog toga što se oslobađa energija kad se atomi više međusobno približe i vežu čvršće jedan s drugim. Prema tome, gusto složene strukture su rasporedi sa manjom energijom, a time i stabilniji. Ivica kocke osnovne ćelije ZCK željeza, na primjer, na sobnoj temperaturi je jednaka 0,287x10-9 m ili 0,287 nanometara (nm). Zbog toga, na dužini od 1mm čistog željeza ima: Parametri (karakteristike) prostornih rešetki: - broj atoma, N - koordinacioni broj, KB (broj atoma podjednako udaljenih od centralnog atoma u elementarnoj rešetki) - fakor slaganja atoma, FSA, - radijus atoma, R, te parametri kristalne rešetke, a, (b, c). Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 23 5. KRISTALNA STRUKTURA METALA PRIMJERI parametara kristalnih (prostornih rešetki) struktura nekih metala Struktura a 0 =f(r) Broj atoma u rešetki Koordinacioni broj, KR FSA Primjeri Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 24 12

5. KRISTALNA STRUKTURA METALA ZCK, Prostorno (zapreminski)-centrirana kubna kristalna rešetka Sadrži 1 cijeli atom i 8x 1/8 atoma, odnosno ukupno 2 atoma Metal a [nm] R [nm] Cr 0,289 0,125 Fe 0,287 0,124 Mo 0,315 0,136 K 0,533 0,231 Na 0,429 0,186 Ti 0,330 0,143 W V 0,316 0,304 0,137 0,132 Primjeri metala za ZCK rešetkom Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 25 5. KRISTALNA STRUKTURA METALA PCK, Površinski-centrirana kubna kristalna rešetka Sadrži 6x 1/2 atoma i 8x 1/8 atoma, odnosno ukupno 4 atoma Metal a [nm] R [nm] Al 0,405 0,143 Cu 0,361 0,128 Au Pb Ni Pt Ag 0,408 0,495 0,352 0,393 0,409 0,144 0,175 0,125 0,139 0,145 Primjeri metala za PCK rešetkom FSA= 0,74 Detaljan proračun na vježbama Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 26 13

5. KRISTALNA STRUKTURA METALA MILLER-OVI INDEKSI - Položaji atoma, pravaca i ravni u kubnim osnovnim ćelijama Radi bližeg određivanja prostorne rešetke uveden je prostorni koordinatni sistem, tako da pojedine ose leže paralelno sa glavnim pravcima kristala. Tako da bi se došlo do neke tačke P u prostoru potrebno je poći iz koordinatnog početka, označenog indeksom (000), i preći u pravcu x ose m jedinica a 0 (x= ma 0 ), u pravcu ose y preći n jedinica b 0 (y= nb 0 ) i u pravcu ose z preći o jedinica c 0 (z= oc 0 ). Umjesto prostornih kordinata u metalografiji, se za označavanje određenih kristalografskih ravni uvode, tzv. Milerovi indeksi. Pomoću Milerovih indeksa mogu se označavati: - određene tačke u prostoru, - određeni pravci u prostoru, - određene ravni u prostoru, i - određene familije kristalografskih ravni. Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 27 5. KRISTALNA STRUKTURA METALA MILLER-OVI INDEKSI - Primjeri označavanja pravaca i tačaka Kristalografski pravci Kristalografski čvorovi (tačke) Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 28 14

5. KRISTALNA STRUKTURA METALA MILLER-OVI INDEKSI - Primjeri označavanja ravni Kristalografske ravni (010) (111) (210) Ravan A Ravan C Ravan B Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 29 5. KRISTALNA STRUKTURA METALA POLIMORFIJA Jedan broj metala i nemetalnih elemenata odlikuje se polimorfnim preobražajem, odnosno pojavom da se neki element javlja u više strukturnih stanja zavisno od stepena zagrijanosti. Proces polimorfnog preobražaja je povratan, tako da kod nekog elementa strukturni preobražaj mora nastati na određenoj temperaturi, kako pri zagrijavanju tako i pri hlađenju. Primjeri nekih najznačajnijih metala sa polimorfnim preobražajem su: Željezo, α, β, γ i δ faza; Nikl, α i β faza; Titan, α i β faza; Kobalt, α i β faza; Hrom, α, β i γ faza. ANIZOTROPIJA Pojava da se razlikuju brojna svojstva metala, zavisno od pravca ispitivanja naziva se anizotropija. Anizotropija se javlja kod većeg broja fizičkih, mehaničkih, optičkih, toplotnih, magnetnih i hemijskih osobina kao posljedica strukturnog stanja i načina slaganja atoma u kristalografskim rešetkama. Najznačajnije su razlike mehaničkih osobina zavisno od pravca ispitivanja kao što su: modul elastičnosti, svojstva čvrstoće, sposobnost deformacije, udarne žilavosti i dr. Kod konstrukcionih materijala pojava anizotropije se dešava kao posljedica: pravca valjanja, način proizvodnje, presovanja, kovanja. Količinska karakteristika anizotropije, a, predstavlja odnos odgovarajućeg svojstva po dužini vlakana u odnosu poprijeko na vlakno. Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 30 15

6. OČVRŠĆAVANJE METALA - KRISTALIZACIJA Predavanja Prof. Omera Pašića Univerzitet u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo MATERIJALI 1 31 16