Konstrukcioni Materijali

UVOD Kroz historiju, svakodnevni život čovjeka, određen je postojanjem, otkrivanjem, proizvodnjom, preradom i primjenom različitih materijala. U početku čovjek je uzimao materijale iz prirode – drvo, kamen, glinu, kožu itd. i oblikovao ih primitivnim postupcima (brušenja, rezanja, bušenja) u oruđe i oružje te ostale upotrebne predmete. Pri tom oblikovanju bila je odlučujuča vještina pojedinaca. Kasnije su na osnovu iskustva dobiveni prvi tehnički materijali kao što je bronza, željezni livovi i nelegirani čelik, cement-beton. Tek u novijoj historiji, koristeći kvantitativna znanja iz matematike, hemije, fizike i iz ostalih područja, iznalaze se postupci za dobivanje savremenih materijala, npr. legiranih čelika, Al-legura, polimernih materijala. Današnji materijali i njihov savremeni razvoj obilježen je primjenom nauke i naučnih istraživanja.

Slika 1. Potrebna znanja i metode u razvoju materijala kroz historiju Materijali su supstanice od kojih su predmeti ili uređaji izrađeni. Zajedno sa energijom čovjek ih koristi za poboljšanje svojih uslova života. Brzi razvoj tehnike je uslovio proučavanje osobina već postojećih konstrukcionih materijala, kao i istraživanje novih. Izbor konstrukcionih materijala u hemiskoj industriji je posebno izražen. Mašine, aparati, uređaji i instrumenti koji se primjenjuju u hemijskoj industriji, izloženi su vrlo različitim uslovima rada, kao što je agresivnost sredine, visokki pritisci i temperature. Da bi obezbjedili siguran rad uređajima neophodno je odabrati adekvatan konstrukcioni materijal za njihovu izradu. Pravilan izbor materijala moguće je izvršiti kada se detaljno poznaju funkcije koje će imati i uslove pod kojima će raditi.

1

Broj materijala od 1940. do danas eksponencijalno raste. Prema nekim tvrdnjama, u posljednjih 60-tak godina u primjenu je ušlo toliko vrsta materijala koliko u svim predhodnim stoljećima. Procjene govore da danas raspolažemo s 70 000 do 100 000 različitih vrsta materijala. Iako je broj osnovnih vrsta znatno manji, raznovrsnost se postiže varijacijama sastava i strukture kao posljedica uslova dobivanja ili naknadne obrade.

Slika 2. Evolucija tehničkih materijala Proizvodnja i potrošnja betona i materijala na bazi željeza i dalje dominiraju u odnosu na druge grupe tehničkih materijala tabela 1. Tabela 1. Proizvodnja materijala u 1990. godini Materijal Milijoni tona Beton 950 Na bazi željeza –čelici 800 Polimeri 200 Aluminij 16 Bakar 9 Cink 7 Olovo 5 Polimerni kompoziti 2 Drvo 2 Nikl 0,7 Magneziji 0,3 Kalaj 0,2 Titan 0,09 Smatra se da će materijali na bazi željeza količinski i u bližoj budučnosti zauzimati najveći udio među metalnim materijalima.

2

Od 1945. do 1975. godine proizvodnja čelika je narasla šest puta, a aluminija čak trinaest puta. Od 1975. do danas taj rast proizvodnje i potrošnje osnovnih metalnih materijala je gotovo zaustavljen zbog sljedećih razloga:     

porasla je motivacija za štednjom materijala dobivenih iz neobnovljivih sirovina došlo je do zasićenja industrijskih proizvoda tehnički razvoj je omogučio lakše i sigurnije konstrukcije –materijali više nosivosti, pouzdanije metode proračuna, bolje metode kontrole i sl. u primjeni raste udio polimera i njihovih kompozita te ostalih novih materijala povećan je udio recikliranih materijala, što smanjuje dio potrebe za primarnom proizvodnjom materijala. bilježe polimerni materijali: od nekoliko miliona tona 60-tih godina do oko tona, 90-tih godina, s procjenom dvostruke proizvodnje za idućih 30-tak

Najveći rast 200 miliona godina. Iako su predviđanja i prognoze nezahvalne, prateći razvoj i primjenu pojedinih materijala po S krivulji rasta (slika 3), može se uočiti da približno svakih 75 godina pojedine skupine materijala doživljavaju maksimum proizvodnje i primjene.

Slika 3. S – krivulja u razvoju i primjeni materijala Tako su materijali na bazi željeza imali maksimum proizvodnje i korištenja oko 1970. godine, a nakon toga nastupa stagnacija. Substituciju čine sve više polimerni i kompozitni materijali, pa se maksimum proizvodnje polimera očekuje sredinom 21. stoljeća. Neki primjeri revolucionarnih primjena materijala zasnovanih na naučnim istraživanjima jesu: poluvodiči i silicijev čip u računaru, optička vlakna za prijenos informacija, Ti i Co 3

legure za implantate u ljudskom organizmu, polimerni kompoziti za gradnju sportskih sprava i zrakoplova, polikristalni dijamanti za rezne alate, tehnička keramija u plinskim turbinama i dizel motorima i dr. Tako je npr. specifična čvrstoća (omjer čvrstoće i gustoće) današnjih polimernih kompozita ojačanih ugljeničnim vlaknima preko četiri puta viša od Ali Ti-legura, a specifična krutost (omjer modula elastičnosti i gustoće) dva puta viša. Upravo su ova dva svojstva omogućila bolje tehničke karakteristike savremenih zrakoplova, trkaćih vozila i sportskih naprava. Drugi primjer govori da današnji rezni alati od silicijevog nitrida i polikristalnog dijamanta omogućuju deset puta veće brzine rezanja nego alat od brzoreznog čelika. Slike 4 do 7 usporedno prikazuju nekadašnji i današnji usisivač za prašinu, bicikl, automobil i zrakoplov. Svi su ovi proizvodi doživjeli bitne promjene oblika i tehničkih karakteristika zahvaljujući razvoju i primjeni suvremenih materijala te odgovarajućih tehnologija oblikovanja.

Slika 4. Razvoj nusisivača za prašinu

4

Slika 5. Bicikl nekad i danas – od drvenog do kompozitnog

Slika 6. Automobili nekad i danas

Slika 7. Zrakoplovi nekad i danas 1. OPĆE TENDENCIJE PROIZVODNJE I ISTRAŽIVANJA MATERIJALA

5

Današnja istraživanja materijala mogu se sažeto opisati sljedećim obilježjima: 

Nove analitičke metode i savremena instrumentacija za karakterizaciju materijala (npr. tunelni skening mikroskop i sinkrotron) je možda najveći pokretač otkrivanja i poboljšanja svojstava na atomskom i molekularnom nivou.



Kompijuterske simulacije omogućuju kreiranje materijala, uključujući modeliranje promjene strukture i svojstva tokom procesa oblikovanja.



Mogučnost prepoznavanja, slikovnog predočavanja i kvantifikacije strukturnih oblika u nano i mikro svijetu, uz kompijutersko modeliranje, uvode nas u izravno područje projektovanja željenig sastava, strukture i osobina materijala, polazeći od atomarne i molkularne razine. Jedan od primjera je primjena neuronskih mreža i genetičkih algoritama u traženju optimalne molekularne strukture polimera polazeći od traženih osobina.



Materijal se izrvno oblikuje u konačan oblik izrada bez međufaze za dobivanje poluproizvoda u obliku šipki, cijevi, limova i sl., tehnologije- postupci oblikovanja praha, oblikovanje raspršavanjem, oblikovanje metala u tjestastom stanju, brza izrada prototipova itd. Veliki je uticaj kvaliteta polazne sirovine i parametara procesa na konačna svojstva proizvoda.

Cjelovit pregled tendencije razvoja i osobina tehničkih materijala gotovo da je nemoguće napraviti, jer bi svaka od karakterističnih skupina materijala – metalni, polimerni, keramički i kompozitni zahtjevali zasebnu ekspertnu studiju, atakođer i pripadne tehnologije materijala.

2. KLASIFIKACIJA (VRSTE) KONSTRUKCIONIH MATERIJALA 6

Obično se večina tehničkih materijala dijeli u tri glavne grupe:  metalne  polimerne  keramičke materijale. Pored ove tri glavne grupe materijala treba spomenuti i ove ostale vrste konstrukcionih materijala koji nisu glavna vrsta materijala po količini, ali su izuzetno važna vrsta materijala zbog njihovog velikog tehničkog značaja a to su:  kompozitni materijali  elektronski  „pametni“ materijali  posebna područja razvoja materijala: biomimetički i fulereni 2.1. Metalni materijali Metalni materijali su neorganske tvari koje se sastoje od jednog ili više metalnih elemenata a također mogu sadržati nekoliko nemetalnih elemenata. Primjeri metalnih elemenata su željezo, aluminij, bakar, nikl i titan. Nemetalni elementi, kao karbon, azot i kisik mogu se također nalaziti u metalnim materijalima. Metali imaju kristalnu strukturu u kojoj su atomi raspoređeni na uređen nači. Izdvajaju se u posebnu grupu zbog svojih specifičnih osobina. imaju sjaj, visoku temperaturu topljenja i ključanja, veliku specifičnu masu, dobro provode toplotu i električnu struju, kovni su i istegljivi. Sem u čvrstom mogu se nalaziti u tečnom i gasovitom stanju. Osobine metala u značajnoj mjeri ovise o njihovoj čistoći. Neznatno prisustvo primjesa može značajno uticati na njihove osobine. U pravilu, povećanjem čistoće povećava se koroziona stabilnost, elektroprovodljivost i plastičnost metala. Po sadržaju primjesa razlikuju se:   

tehnički čisti metali (0,1-0,5 % primjesa) hemijski čisti (0,01-0,1 % primjesa) ultračist metali (manje od 0,0001 % primjesa).

Apsolutno čisti metali ne postoje, ali specijalne metode čišćenja omogućavaju dobijanje metala sa veoma niskim sadržajem primjesa (10-4 - 10-10 %). Svi metali i legure dijele se na:  željezne metale i legure (crne) koje sadrže veliki procenat željeza  neželjezne metale i legure (obojene) koje ne sadrže ili sadrže samo relativno malu količinu željeza. Prema fizičkim i hemijskim osobinama obojeni metali se dijele na:     

lahke (Al, Mg, Ti, Li, Na, K, Rb, Ca, Ba) teške (Cu, Ni, Pb, Sn, Sb, Zn, Bi) plemenite (Au, Ag, Pt,... ) teško topive (Mo, W, Cr, ...) rijetke ( Ga, In, Tl,...). 7

2.2. Polimerni materijali Od preko 10 000 komercijalnih vrsta polimernih materijala sve se veći broj upotrebljava u tehnici općenito. Radi ekonomičnosti i zahtjeva recikličnosti, broj različitih temeljnih vrsta nastoji se smanjiti. Prednosti u primjeni ove skupine materijala su: mala gustoća, korozija i hemijska postojanost, lahko oblikovanje, dobra klizna svojstva i slična specifična svojstva. Radi navedenih svojstava zamjenjuju metale, naročito Al, Cu i Mg legure i nehrđajuće čelike. Na osnovu porijekla polimere možemo podijeliti na:  prirodne  sintetske Na osnovu ponašanja pri povišenim temperaturama mogu biti:  termoplastični (termoplasti, plastomeri)  termoreaktivni (duroplasti, duromeri)  elastični (elastomeri-gume) S obzirom na broj polimera te dodatak još i drugih organskih ili neorganskih tvari, plastične mase dijelimo na:  homogene plastične mase, sastoje se samo od jednog polimera  heterogene plastične mase (kopolimeri) sastoje se polimera i još jedne ili više hemijski različitih tvari. Masovni polimeri (preba obimu proizvodnje) čine 80 % proizvodnje u 1997. godini, to je oko 110 miliona tona, a sastoje se od samo četiri vrste plastomera: ▶ polietilen – PE ▶ polipropilen – PP ▶ polistiren – PS ▶ polivinilclorid – PVC Slijedeću skupinu čine inženjerski ili konstrukcijski polimerni materijali s boljim mehaničkim i drugim tehničkim svojstvima, ali i s oko pet puta većom cijenom. Među najznačajnije konstrukcijske plastomere ubrajaju se: ▶ poliamid – PA ▶ stiren/akrilonitril/polibutilen – ABS ▶ polikarbonat – PC ▶ fluoro polimeri – PTFE (Teflon) ▶ poliacetat – POM ▶ polietilen tetraftalat – PET ▶ polimetil metakrilat- PMMA, ▶ polifenileneter - PPEmod ▶ stiren/akrilonitril kopolimer – SAN ▶ polimerne smole Najšire polje primjene u tehnici zauzimaju PA, PC i ABS. Raste proizvodnja polimernih smjesa tzv. blendova koje donose nove kombinacije svojstava – viša žilavost, pstojanost oblika u toplini i bolja preradivost. Neke poznate smjese su: PC + PBT – izrada automobilskih odbojnika; PC + ABS – potpuno preovladava u izradi kućišta u bijeloj tehnici i elektronici. 2.3. Keramički materijali

8

Ova skupina zauzima posebno mjesto u istraživanjima novih materijala, zbog potencijalno širokog polja buduće primjene. Radi se o nemetalnim materijalima proizvedenim u obliku finog praha pomješanog s vezivom, koji se zatim oblikuje različitim postupcima presovanja ili lijevenja u predoblik i konačno sinteruju pri visokim temperaturama. Tehnička keramika prema primjeni se dijeli na:  konstrukcijsku  funkcionalnu Na temelju sastava razlikujemo dvije osnovne skupine keramike:  oksidna – tipični predstavnici: Al2O3, ZrO2, Al2TiO5  neoksidna - tipični predstavnici: SiC, Si3N4, B4C, BN, TiN, TiC, AlN, umjetni dijamant. Pručavanjem sastava, strukture i tehnologija oblikovanja, žele se unaprijediti neka nepovoljna svojstva klasične keramike: - krhkost - nepredvidivost ponašanja u složenim uslovima opterećenja - osjetljivost na pojavu pukotina - otpornost toplinskim šokovima. Unatoč velikih ulaganja u istraživanja, ostaje još niz ozbiljnih problema koji sprečavaju širu primjenu za tipične konstrukcijske dijelove. Prema metalnim materijalima konstrukcijska keramika ima sledeće prednosti: - višu tvrdoću - višu tlačnu i savojnu čvrstoću, naročito pri povišenim temperaturama - nižu toplotnu provodljivost - višu otpornost trošenju - bolju hemijsku postojanost - nižu gustoću - dugoročnija i sigurnija snadbjevenost sirovinama Neki primjeri primjene jesu: - rezne ploče (Al2O3) - vodilice i kotači u tekstilnoj industriji (Al2O3) - tanki slojevi na metalnim podlogama (ZrO2) - cilindri i vodilice ventila - djelovi pumpi za agresivne medije u hemijskoj industriji (Al2O3, i posebno SiSiC, sinterirani SiC-SSiC) - alati za izvlačenje i vođenje žica i cijevi - brtveni prstenovi - dijelovi turbina i motora. Funkcionalne keramike se koriste za izradu senzora u hemijskoj i procesnoj industriji, za djelove računara, za visokotemperaturne otpornike.

2.4. Kompozitni materijali 9

Kompozitni materijali podrazumjevaju čvrstu vezu dva ili više sastavnih elemenata, koji su sjedinjeni u makroskopskoj veličini, u nerazdvojnu vezu, u cilju dobivanja boljih karakteristika nego što su to posjedovali sastavni elementi kompozitnih materijala prije njihovog sjedinjavanja. Poznato je da će se dva ili više materijala ponašati različito i često mnogo efikasnije nego svaki materijal posebno, te ovaj jednostavan koncept nudi koristan način razmišljanja o razvoju i primjenama materijala. Tek primjenom jedinstvenog i multidisciplinarnog pristupa materijalima možemo shvatiti pun značaj i ogroman potencijal kompozitnih materijala. Vrijednost proizvodnje kompozita u svijetu dostiže nekoliko milijardi dolara uz neprestalni rast. Najveći udio u primjeni zauzimaju polimerni kompozitni materijali s duromernom matricom. Nemogućnost potpune automatizacije proizvodnje onemogućava još širu primjenu, naročito u automobilskoj industriji. Tehnologija oblikovanja praha i drugi noviji postupci oblikovanja metala potiču šira istraživanja metalnih kompozit, dok je proizvodnja i primjena keramičkih kompozita za sada najmanje raširena. Najznačajniji kompozitni materijali koji se upotrebljavaju su: 

Polimerni kompoziti (Polymer Matrix Composite -PMC) - djelovi strojeva i vozila: oklopi formule 1, motocikla, opruge, djelovi zrakoplova - sportska oprema - ortopedija i hirurgija: vanjski fiksatori, proteze, pomagala za hodanje... - vojna oprema: kacige, zaštitni prsluk, djelovi oružja...



Metalni kompoziti (Metal Matrix Composite -MMC) - automobilska industrija - avionska industrija



Keramički kompoziti (Ceramic Matrix Composite -CMC) - djelovi plinskih turbina - rakete i motori koji rade pri temperaturama preko 1600 0C...

2.4. „Pametni“ materijali 10

Pod pojmom „pametni“ misli se na materijale koji prepoznajući okolne uslove (temperaturu, mehaničko naprezanje, hemijsko djelovanje, električno i magnetno polje, svjetlost i dr.) mijenjaju svoju mikrostrukturu i svojstva. Za prirodne materijale to nije novost, drvo npr. je sposobno samo ojačati pod djelovanjem mehaničkog opterećenja ili ozdraviti ako dođe do oštećenja. Oko100 godina poznat Hadfield –ov čelik s 1 % C i 12 % Mn je prvi umjetni pametan materijal. Kod ovog relativno mehkog austenitnog čelika dolazi do otvrdnuća uslijed lokalnih transformacija u martenzit, a zbog visokih specifičnih pritisaka pri trenju ili udaru. Sličan fenomen je poznat kod polipropilena gdje na vršku mikropukotine dolazi do plastičnog preustroja helikalnih molekula i zaustavljanja rasta pukotine. Slijedeća faza obuhvata materijale za senzore. Materijali za senzore su sposobni transformisati neku veličinu u drugo lakše mjerljivo svojstvo. Najstariji su npr. termoelementi koji pretvataju temperaturu u električni napon ili mjerne trake koje pretvaraju deformaciju u električni otpor. Naredni cilj je izvedba izvedba inteligentnih struktura- konstrukcija sa zadaćom obavljanja posebnih funkcija pod uticajem vanjskih podražaja – npr. senzori ugrađeni u mostove ili krila zrakoplova gdje mogu reagirati na prekomjerne deformacije ili pojavu pukotina, ili kao djelovi različitih biomedicinskih pomagala.

2.5. Biomimetički materijali Istraživanje sintetičkih materijala na osnovi materijalne bionike spada u interdisciplinarno područje između biologije, hemije, mašinstva i medicine. Iz prirode učimo kako iz jednostavnih i raspoloživih spojeva biološkim procesima nastaju složene polimerno/keramičke strukture visoke čvrstoće, krutosti, tvrdoće i žilavosti, kao npr. oklopi, rogovi, zubi, bodlje životinja, paukova mreža itd. Radi se o nanostrukturiranim biološkim strukturama bez poroznosti i greške. Na osnovi proučavanja i ponašanja sastava i strukture takvih sastava razvijaju se procesi umjetne sinteze oksida, sulfida i drugih spojeva u vodenim ili polimernim otopinama s ciljem dobivanja umjetnih kosti, tkiva (npr. ljudske kože), razgradljivih vlakana za šivenje rana, membrana za dijalizu.

2.6. Fulereni

11

Fulerenima se označavaju velike molekule koje se sastoje isključivo od ugljika, a imaju prostorne, u sebi zatvorene kuglaste strukture. Najvažniji je predstavnik C60 (Buckminster) u obliku nogometne lopte sastavljene od 12 peterokuta i 20 šesterokuta. Ovaj fulerin ima promjer oko 0,7 nm a unutrašnjost je prazna. Fulerenske cjevčice (tzv. „nanotube“) promjera 1-10 nm i dužine do 1000 nm pokazuju impresivna mehanička i električna svojstva slika 8. Vlačna čvrstoća je oko 10 puta viša od čvrstoće ugljičnih vlakana a gustoća pola manja. Električna vodljivost je kao u bakru, a toplotna vodljivost tako visoka kao kod dijamanta.

Slika 8. Alotropije ugljika i oblik fulerenske cjevčice Za buduća istraživanja novih materijala, na osnovi fulerena, zanimljivo je formiranje kaveza u koji bi se dodavali različiti elementi i njihovi spojevi. Molekula C36 se istražuje kao osnova za supervodiče. NASA smatra da bi istraživanja u smjeru dobivanja upotrebljivih nanocjevčica mogla dovesti do revolucionarnih rezultata.

12