Drugi kolokvij: nikal, keramika, polimeri, kompoziti

Koju kristalnu rešetku ima nikal?

FCC

Nabroji 3 osnovna fizikalna i mehanička svojstva nikla (gustoća, talište, modul elastičnosti)

• gušći od željeza

• malo niže talište ali vrlo blizu

• isti modul elastičnosti u plastičnom području no niklad ima puno bolje plastičnu deformaciju ( puno više će se deformirati u plastićnom području prije ne go što pukne)

Nabroji prednosti nikla.

• hladna oblikovljivost

• žilavost pri niskim temperaturama

• otpornost pri visokim temperaturama

• otpornost na koroziju

Gdje se primjenjuje nikal?

• oprema za prehrambenu i kemijsku industriju

• konstrukcijski dijelovi u brodogradnji

• alkalne željezo - nikal i nikal - kadmijeve baterije

• katalizatori u kemijskoj industriji

• prevlačenje drugih metala (niklovanje)

Koja su svojstva Ni - legura?

• Otpornost na koroziju i otpornost pri visokim temperaturama - Superlegure

• Ni - Ti legure (“nitinol) - shape memory alloys , pametne legure koje imaju efekt prisjetljivosti oblika

• Posebna mehanička svojstva:

• Magnetska svojstva - meki magneti

• Električna svojstva - velik električni otpor (grijači)

• Legure s malom toplinskom rastezljivosti INVAR (invarijanta - nepromjenjivo)

• Visoka cijena - legirni elementi i složena proizvodnja

Na koja dva načina možemo očvrsnuti superlegure?

1. Kristalima mješancima - najjače djeluje Co (>16%)

2. Percipitacijom :

• Cr uz otapanje u austenitnoj matrici i stvaranjem Cr₂₃C₆

• Mo, Nb, Ta i V stvaranjem karbida

• Al i Ti stvaranjem intermetalnih spojeva

Skiciraj dijagram percipitacijskog očvršćivanja.

Nabroji vrste niklovih legura

U kojem obliku i zašto koristimo kobalt?

Ne koristimo ga kao čisti metal već njegov izotop ⁶⁰C kao izvor zračenja te ispitivanje bez razaranja odljevaka i zavara.

Koja su svojstva kobalta i njegovih legura?

• Ispot 1495 C FCC beta - modifikacija a ispod 417 C stabilna HP alfa modifikacija (heksagonska gusto pakirana čelija - preklopni mehanizam)

• ograničeno hladno oblikovljiv i dobro toplo oblikovljiv

• legure su otporne pri visokim temperaturama do 1000 C

Nabroji svojstva kobaltnih legura.

• toplinski otporan lijev

• kovane i sinterirane superlegure - slične namjene kao i toplinski otporne Ni legure

• Dobro livljive i zavarljive, otporne na koroziju i umor

Gdje se primjenjuje kobalt i njegove legure?

• Nerotirajući dijelovi plinskih turbina i mlaznih motora T3 < 1000C

• implanti u ljudskom tijelu

• legure za zube

• legure za navarivanje

• katoda baterije u električnim vozilima

Koje kristalne rešetke titana te na kojim temperaturama postoje?

20 - 885 C HCP alfa titan

885 - 1670 BCC beta titan

Koja su to povoljna svojstva titana?

• relativno niska gustoća 4500 kg/m3

• povoljna specifična svojstva (-200 do + 550 C)

• Relativno visok E (110 000 N/mm2)

• značajna otpornost na umor i na puzanje

• mala toplinska rastezljivost

• visoko postojan u različitim agresivnim medijima - stvara se oksidni sloj

Koja su nepovoljna svojstva titana?

• Veliki afinitet prema O₂, C_, H₂, N₂ naročito iznad 950 C

• teško hladno oblikovljiv, bolje toplinski oblikovljiv, lijepi se na alat

• loše obradljiv odvajanjem čestica zbog žilavosti

• teže zavarljiv ( u zaštitnoj atmosferi)

• relativno visoka cijena

Kako dijelimo titanove legure prema mikrostrukturi?

alfa, alfa+beta, beta

Koji su glavni stabilizatori alfa titanovih legura?

C, O, N, Al i Sn

Koji su glavni stabilizatori beta titanovih legura?

Mn, Mo, Cr, Ta, Fe i Ni

Svojstva alfa titanovih legura.

• slabo obliovljive hladnom deformacijom (HCP)

• žilavost, zavarljivost, čvrstoća i otpornost pri povišenim temperaturama (370 - 500 C - dijelovi motora)

• dobra čvrstoća i žilavost i pri sniženim temperaturama

• ne očvršćuju toplinskom obradom

Koja su svojstva alfa + beta titanovih legura?

• očvršćenje toplinskom obradom

• osjetljiv postupak pojava krhkosti ( metastabilna omega faza)

Skiciraj postupak očvrsnuća alfa + beta titanove legure te ga opiši.

1. legure se rastvorno žare u blizini temperature prekristalizacija alfa/beta (veliki udio beta)

2. Gašenje legura sastava < C_k: beta prelazi u alfa primarno martenzitnom pretvorbom, alfa primarna faza je kristal mješanac istog sastava kao beta faza

3. Gašenjem faza sastava > C_k: tvrda i krhka beta faza (neočekivano), stvaranje prelazne omega faze, beta faza se mijenja submikroskopski pri čemu nastaje omega faza, ona može nastati pri gašenju ili naknadnom popuštanju

Što se ne smije raditi kod alfa + beta titanovih legura?

• Ne smije se rastvorno žariti u beta polju radi opasnosti od pogrubljenja zrna

• ne smije se popuštati ispod 425 C radi izbjegavanja krhke omega fazet

Koja je najvažnija alfa + beta titanova legura?

TiAl5V4

Koja su svojstva beta titanovih legura?

• očvrstljive hladnom deformacijom i toplinskom obradom

• velika sposobnost hladnog oblikovanja - duktilnost

• visok omjer čvrstoća/gustoća

• visoka čvrstoća nakon toplinske obrade

• krhke pri niskim temperaturama

• dobra čvrstoća < 300 C uz kratkotrajno mehaničko opterećenje (dijelovi raketa)

Koja su povoljna svojstva magnezija i njegovih legura?

• mala masa

• dobra livljivost

• izvrsna rezljivost

• velika sposobnost prigušivanja vibracija

Koja su nepovoljna svojstva magnezija i njegovih legura?

• niska otpornost na koroziju

• velika kemijska reaktivnost

• HCP rešetka - ograničena mogućnost hladne deformacije

• nizak modul elastičnosti 45 000

• gornja temperaturna granica uporabe je 300….500 C

Što su keramički materijali?

Anorganski materijali sastavljeni od metalnih i nemetalnih elemenata povezani ionskim i/ili kovalentnim vezama.

Kako dijelimo keramiku?

Nabroji neku silikatnu keramiku.

• Porculan

• Steatit

• Korderit

• Mulit

Nabroji neku oksidnu keramiku.

• Aluminijev oksid

• Magnezijev oksid

• Cirkonijev oksid

• Aluminijev titanat

Nabroji neku neoksidnu keramiku.

• Silicijev karbid

• Silicijev nitrid

• Aluminijev nitrid

• Borov karbid

• Borov nitrid

Kako dijelimo keramiku prema vrsti veza (napiši primjere)?

• Ionska: MgO, Al₂O₃, ZrO₂

• Kovalentna: SiC, SiO₂, Si₃N₄

Kakve su općenito veze kod keramike?

Jake - visok modul elastičnosti i tvrdoća

Točnim redosljedom napiši faze postupka proizvodnje keramike.

1. Prah

2. Priprema mase

3. Oblikovanje

4. Obrada sirovca

5. Sinteriranje/srašćivanje

6. Završna obrada

7. Keramički izradak

Koje faze proizvodnje keramike spadaju pod oblikovanje?

• Oblikovanje

• Obrada sirovca

• Sinteriranje (srašćivanje)

U kojem obliku je sirovina za proizvodnju keramike?

PRAHA

Koja su važna svojstva praha koja odlučuju kvalitetu proizvedene keramike?

• Veličina zrna

• Čistoća

• Specifična površina

Kako dijelimo pomoćna sredstva kod keramike?

• Pomoćno sredstvo za ojačavanje

• Sredstvo za tečenje

• Sredstvo za plastifikaciju

• Sredstvo za sinteriranje

Što je sinteriranje (srašćivanje)?

Spajanje čestica praha reakcijama u čvrstom stanju zbog velike površinske energije pri čemu prevladava proces difuzije. Rezultat je maksimalna gustoća (minimalna poroznost).

Pri kojim uvijetima se odvija sintetiranje?

• temperatura 1050 2200 C

• eventualno pod tlakom

• eventualno pod prikladnom atsmoferom (zaštitni plin)

S čime je povezano sintetiranje (sraščivanje)?

Skupljanjem(stezanjem) do 20%

O čemu ovise svi parametri sintetiranja?

MATERIJALU

Nacrtaj tablicu usporedbe svojstava keramike i metala.

Koji su glavni uzroci loma kod keramike?

• poroznost i uključci

• velika zrna nastala tijekom proizvodnje

• površinske napukline i nedopustiva hrapavost od završne obrade

Koja su svojstva aluminijeva nitrida AlN?

• izvrsna električna izolacijska sposobnost

• vrlo visoka toplinska vodljivost

• slična toplinska rastezljivost kao i Si

Što je tvrdi metal te koji je njegov industrijski naziv?

WIDIA - metalno karbidni kompozit

Koja svojstva poprima tvrdi metal od metalne osnove?

električna i toplinska vodljivost

Od čega se sastoji struktura tvrdog metala?

• metalna osnova: Co

• karbidi: TiC, WC, TaC

Koja su osnovna svojstva tvrdih metala?

• dobra toplinska i električna vodljivost

• visoka tlačna čvrstoća i modul elastičnosti

• visoko talište

• visoka tvrdoća i otpornost na trošenje

• dobra postojanost na promjenu temperature

• dobra čvrstoća pri povišenim temperaturama

• otpornost na koroziju

Gdje se primjenjuje tvrdi metal?

• alati za OOČ

• alati za obradu stijena i kamenja

• konstrukcijski djelovi otporni na trošenje

Što su superlegure?

Višekomponentni sustavi na osnovi nikal i kobalta s visokim udjelom kroma i manjim udjelom visokotaljivih elemenata molibdnea i volframa, te titana i aluminija.

Njihova se mehanička svojstva postižu otapanjem legirnih elemenata u kristalima mješancima matrice i precipitacijom intermetalnih spojeva i ili karbida rasporešenih austenitnoj matrici.

Što su polimeri?

Materijali koji se sastoje od makromolekula, makromolekule su velike molekule koje nastaju iz manjih molekula monomera kemijskom reakcijom polimerizacije. Svaka makromolekula sastoji se od velikog broja ponavljanih jedinica koje se zovu meri.

ILI

Kondenzirani sustavi makromolekula. (kondenzirani - nemaju plinovito stanje)

Što je monomer?

Nezasićena niskomolekulna tvar

Koji dodatci se dodaju tehnički upotrebljivim polimerima?

• Reakcijske tvari- pjenila, dodaci za smanjenje gorivosti, umrežavala

• Dodaci za poboljšanje preradljivosti- maziva, odvajala, punila, toplinski stabilizatori, regulatori viskoznosti, tiksotropni dodaci

• Modifikatori mehaničkih svojstava- omekšavala, dodaci za povišenje žilavosti, punila, prijanjala, ojačala

• Modifikatori površinskih svojstava –regulatori adhezivnosti, vanjska maziva, antistatici, dodaci za smanjenje sljubljivanja, za smanjenje neravnina na površini

• Modifikatori optičkih svojstava- bojila, pigmenti

• Dodaci za poboljšanje postojanosti – svjetlosni stabilizatori (UV), antioksidansi, antistatici, biocidi

• Ostalo – mirisi, dezodoransi

Koje se reakcijske tvari dodaju polimerima i zašto?

Pjenila, umrežavala i dodaci za smanjenje gorivosti. Dodaju se kako bi se postigla željena mehanička svojstva i struktura.

Navedite osnovnu podjelu polimernih materijala i neke vrste iz svake podskupine.

Osnovna podjela među polimerima vrši se prema vrsti veza među makromolekulama odnosno ponašanju pri zagrijavanju - plastomeri, elastomeri i duromeri

Plastomeri - PVC, PET, PE, PP

Elastomeri - osnovi sastojak je kaučuk prirodni ili sintetski

Duormeri - epoksidne smole, poliesterske smole, poliuterani…

Koji je polimer najbolji u pogledu kemijske postojanosti?

Duromeri

Što su omekšavala i koji je princip njihovog djelovanja?

Modifikatori mehaničkih svojstava koji se najčešće dodavaju plastomerima rijeđe elastomerima. Poboljšavaju elastičnost, tečenje taljevine, smanjuju jakost međumolekulskih sila polimera. Molekule omekšavala smještaju se u amorfnu fazu te razmiču segmente pri čemu slabe veze između makromolekula.

Mogu biti niskomolekulni ili polimerni.

Koja je razlika između punila i ojačala? U koju skupinu dodataka spadaju?

Spadaju u modifikatore mehaničkih svojstava. Punila su u obliku dispergiranog praha ( Al2O3, SiO2, tehnički ugljik (cada) drveno brašno CaCo3)

Ojačala su dodatci u obliku vlaknastih materijala (kratka ili kontinuirana vlakna)

Koji su modifikatori mehaničkih svojstava polimera i koji od njih su najčešći u primjeni?

Modifikatori mehaničkih svojstava su omekšavala, dodaci za povišenje žilavosti, punila, prijanjala i ojačala a najčešće se primjenjuju punila i ojačala.

Što su polimerni kapljeviti kristali?

LCP liquid crystalline polymers - makromolekule se orijentiraju ali ne stvaraju kristalnu strukturu već mezofazu između trodimenzijske kristalne uređenosti i kapljevite neuređenosti

kapljeviti kristali - imaju strukturne karakteristike i ponašanja kristala a pokretljivost kapljevina

Kakve mogu biti plastomerne mješavine?

Homogene

Djelomice mješljivi plastomeri - homogeno se mogu izmiješati s drugim plastomerima samo u ograničenim područjima (dodatak kompatibilizatora)

Heterogene (nekompatibilne) mješavine mješanjem daju višefazne mješavine

Što je biorazgradivost?

Mikrobiološki proces koji ima dva stupnja:

depolimerizacija makromolekula odvija se zbog veličine i netopljivosti polimernih lanaca izvan organizma

mineralizacija - oligomeri ili monomeri transportiraju se u stanice mikroorganiuama i mineraliziraju

Koji su to dodaci za poboljšanje postojanosti?

Antistatici

UV stabilizatori

Antioksidansi

Što su antioksidansi?

u malim koncentracijama usporavaju ili zaustavljaju razgradnju polimera uslijed djelovanja molekulnog kiska, O₂ i trikisika, O₃ (ozona)  deaktiviranjem aktivnog vodika

Što su UV stabilizatori?

Kako dijelimo svojstva polimera?

1. Unutarnja svojstva tvari - neovisna o obliku i dimenzijama izratka E, G , ni gustoća toplinks aelektrična optička akustička svojstva

2. Proizvodna (preradbena procesna) svojstva

3. Svojstva gotovog proizvoda (performanse) -promjena sastava, strukture uslijed konačnog oblikovanja i primjene

O čemu ovise PRVENSTVENO brojčane vrijednosti nekog svojstva materijala?

1. kemijskoj građi

2. mikrostrukturi i makrostrukturi

3. geometriji epruvete (ispitnog tijela)

O čemu još ovise brojčane vrijednosti svojstva polimernih materijala?

• brzini i trajanju opterećenja

• temperaturi

• mediju

• toplinsko reološkoj prošlosit

• mehaničkoj prošlosti

Skiciraj dijagram karakterističnih temperatura.

Što je viskoelastičnost?

Odgovor na djelovanje vanjskih sila je između ponašanja elastičnog čvrstog tijela i viskozne kapljevine. Zbog viskoelastičnog ponašanja polimernih materijala njihova se mehanička svojstva bitno ralikuju od svojstava metalnih materijala.

odnosno

ovisnost mehaničkih svojstava o vremenu i temperaturi djelovanja opterećenja

odnos modula elastičnosti i temperature za plastiku i gumu dijagram

Nominalni dijagram rastezno naprezanje istezanje

Tipična krivulja deformacije.

Utjecaji koji mijenjaju rasteznu čvrstoću?

molekulna masa

obrada i naknadna obrada

stupanj kristalnosti ili umreženosti

temperatura, vlažnost

opterećenja

punila

okolišni medij

Izokorni dijagram naprezanj istezanje te sto je kriticno istezanje

Vrijednost istezanja pri kojem ni nakon vrlo dugog opterećenja ne dolazi do pojave mikroskopskih oštećenja

Što je E te kakav je kod polimera. O čemu ovisi?

Mjera za krustost materijala, nije konstantan ovisi o

stupnju polimerizacije

stupnju uređenosti strukture

vrijednost E kod polimernih materijala priblizno je 10 do 100 puta manja nego ona od metala

Dijagram određivanja modula elastičnosti kod polimera.

Sekantni i tangencionalni modul elastičnosti

Prilikom primjene polimera u konstrukcijske svrhe treba uzeti u obzir?

1. Velika ovisnost njihovih mehaničkih svojstva o uvjetima okoline prvenstveno toplini

2. Ovisnost mehaničkih svojstava o vrsti i trajanju opterećenja te brzini opterećivanja

3. Načinu deformiranja pri opterećivanju uz konstantno naprezanje σ₀ ukupna deformacija ε_u ovisi o trajanju djelovanja sile

Zašto su polimeri kemijski postojaniji od metala?

1. Najčešće samo fizikalne promjene (masa i volumen)

2. Mogućnost reverzibilnosti procesa

3. Do nepovratne promjene svojstava dolazi samo ako postoji afinitet polimer medija

Koja su tribološka tarna svojstva te skiciraj?

mali faktor trenja

dobra otpornost na trošenje

1. nema mikrozavarenih spojeva

2. udubine neravnina popunjavaju se proizvodima trošenja polimernog materijala

3. relativna neosjetljivost prema stranim česticama

Kakvu fazu mogu imati plastomeri zašto je važan udio faze te kako se to zove? Skiciraj faze.

Amorfnu ili Kristalastu

Stupanj kristalnosti

Uređene faze imaju veču gustoću, mehanička svojstva su bolja, manja propusnost plinova, bolja toplinska vodljivost, različita optička svojstva.

Koja je zadača ojačala?

Da budu nosivi elementi kompozita tj. da osiguraju:

visoku čvrstoću

visoki modul elastičnosti - krutost

otpornost na trošenje

Koja je zadaća matrice?

• drži ojačala zajedno

• štiti ih od vanjskih utjecaja

• ima važnu funkciju u prijenosu opterećenja na ojačalo

• daje vanjski oblik kompozitne tvorevine

• određuje njegovo ponašanje s obzirom na djelovanje atmosfere, itd….

Kako dijelimo kompozite?

Po materijalu matrice i obliku ojačala.

Skiciraj podjelu kompozita prema materijjalu matrice.

Podjela kompozita prema obliku ojačala?

Opća podjela materijala.

Nabroji prednosti kompozitnih materijala.

• mogućnost izrade vrlo složenih oblika

• smanjenje troškova naknadne obrade dijelova

• mogućnost spajanja dijelova tijekom samog postupka proizvodnje

• dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim uvjetima

• otpornost na koroziju

• dizajniranje svojstava

O čemu ovise svojstva kompozita? Skiciraj.

• Svojstvima konstintuenata tj. matrice i ojačala

• Veličini i raspodjeli konstituenata

• Volumnom udjelu konstituenata

• Obliku konstintuenata

• Prirodi i jakosti veza između konstituenataa

Koje su glavne varijable koje određuju učinkovitost disperzije?

• Veličina čestice d < 0,1 mikro m

• Volumni udio Vp < 15%

• Razmak između disperziranih čestica Dp

• Čestice sprečavaju gibanje dislokacija - ojačanje

Svojstva kompozita s velikim česticama.

Veličina čestica d >= 0,1 piko m

Volumni udio > 15%

nisu namjenjeni za proizvode kod kojih se traži velika čvrstoća (abrazivne ploče elek. kontakti)

Što su viskeri? Zašto se ne primjenjuju?

Sićušni monokristali koji imaju ekstremno veliki omjer “duljina/promjer”. Posljedica malih dimenzija je veliki udio pravilnosti kristalne građe, pa gotovo nema mogučnosti tečenja što vodi do izuzeto visoke čvrstoće.

Ne primjenjuju se zbog komplicirane proizvodnje i visoke cijene, vrlo ih je složeno ugraditi u matricu.

Od čega mogu biti viskeri?

grafita (ugljik)

silicijeva karbida

silicijeva nitrida

alumnijeva oksida

Što znači da su viskeri monokristali?

Da su svi kristaliči jednako orijentirani te da nema granica zrna.

Opiši vlakna?

Vlakna su ili polikristalna ili amorfna te imaju mali promjer. Materijali vlakana mogu biti polimerni ili keramički (aramid, staklo, ugljik, bor, aluminij oksid, silicij karbid).

Opiši žice.

Relativno velikog promjera, tipični materijali su čelik, Mo i W. Primjenjuju se pri radijalnom čeličnom ojačivanju automobilskih guma, te kod žicama omotanih visokotlačnih cijevi.

Skiciraj sigma epsilon dijagram za vlaknom ojačan kompozit.

O čemu ovise karakteristike kompozita ojačanog vlaknima? Skiciraj različite načine raspodjele.

• Omjeru duljina/promjer vlakana

• Volumnom udjelu vlakana

• Usmjerenosti (rasporedu) vlakana

• Svojstvima vlakana

• Svojstvima matrice

Skiciraj dijagram ovisnosti volumnog udjela vlakana s vlačnom čvrstoćom.