Univerzitet u Niu Fakultet zatite na radu u

Univerzitet u Nišu Fakultet zaštite na radu u Nišu Predmet: Tehnički materijali Predavanje 10: Metali Profesor: dr Milan Protić Asistent: Miljan Cvetković Niš, 2020

Klasifikacija metala • CRNI METALI obuhvataju gvožđe i njegove legure. o Imaju tamno-sivu boju, visoku temperaturu topljenja, relativno veliku tvrdoću i specifičnu masu i u većini slučajeva su polimorfni. • OBOJENI METALI imaju crvenu, žutu ili belu boju. Odlikuju se velikom plastičnošću, malom tvrdoćom i relativno niskom temperaturom topljenja.

Opšte osobine metala i legura uslovljene su njihovom unutrašnjom građom • METALNA VEZA nastaje tako što atomi otpuštaju svoje valentne elektrone i prepuštaju ih na formiranje elektronskog oblaka a ostatak jezgara i elektrona postaju pozitivni joni. • Oslobođeni elektroni nisu fiksirani za susedne atome već se u stvari od njih formira ELEKTRONSKI OBLAK koji ispunjava ceo prostor oko pravilno raspoređenih atomskih jezgara. • Metalni joni su pozitivno naelektrisani i pravilno se raspoređuju u kristalne rešetke, a s obzirom da ih okružuje negativno naelektrisan oblak, to ih jako električno privlačenje vezuje u jednu celinu.

Metalna veza

Opšte osobine metala i legura • Postojanje slobodnih elektrona uslovljava bitne karakteristike metala: metalni sjaj, sposobnost plastične deformacije, dobra toplotna i električna provodljivost i mehanička svojstva. • Metali imaju i nedostatke: o podložni koroziji pod uticajem različitih agenasa iz spoljašnje sredine i što se o pri visokim temperaturama znatno deformišu.

Opšte osobine metala i legura • Oplemenjivanjem jednog metala sa dva ili više metala dobijaju se smeše koje će imati potrebne mehaničke, fizičke, hemijske i tehnološke osobine. Takvi sistemi se nazivaju LEGURAMA. • Legure su supstance, odnosno materijali, koji se sastoje od dva ili više metala ili metala i nemetala a koji u odnosu na čiste metale imaju bolje osobine. • Legura dobijena od metalnih elemenata i koja ima metalne osobine, naziva se METALNOM LEGUROM. • Prema broju komponenata u jednoj leguri, razlikuju se dvokomponentne, trokomponentne i višekomponentne legure

Klasifikacija metalnih legura • Metalne legure s obzirom na osnovni metal koji se legira se grupišu u dve klase – legure GVOŽĐA i OBOJENIH METALA. • Legure gvožđa su one kod kojih je gvožđe osnovni konstituntni element: to su ČELIK i LIVENO GVOŽĐE. • Legure obojenih metala predstavljaju sve one legure koje nisu bazirane na gvožđu – tj. bazirane su na obojenim metalima.

Legure gvožđa • Osnovna podela gvožđa zasniva se na ukupnom sadržaju ugljenika. Tako se gvožđe koje sadrži: • 0, 01 - 0, 025% C naziva tehničkim gvožđem • 0, 025 - 2% C naziva čelikom a • iznad 2% C gvožđem (razlikovati ga od hemijski čistog gvožđa). • Na ovome je bazirana osnovna podela legura gvožđa sa ugljenikom: o Legure sa sadžajem od 0, 025 % - 2 % C - se nazivaju ČELICIMA o Legure sa sadržajem od 2 % - 6, 67 % C - se nazivaju GVOŽĐIMA

Čelici § Čelici su legure gvožđa sa ugljenikom koji učestvuje u leguri do 2%. Pored ugljenika, čelik uvek sadrži u malim količinama STALNE PRIMESE: mangan (do 0, 8%), silicijum (do 0, 4%), fosfor (do 0, 07 %), sumpor (do 0, 06 %) što je vezano za tehnologijue njegovog dobijanja. § Sadržaj nekih od pobrojanih elemenata (mangana, silicijuma i ugljenika) namerno se povećava na kraju procesa dobijanja čelika, dok je sadržaj fosfora i sumpora u čeliku štetan i stoga nepoželjan. § U praksi se koriste takođe i legirani čelici, u čiji sastav se dopunski (namerno) uvode, radi poboljšanja kvaliteta čelika, pojedini elementi kao: hrom, molibden, nikl, vanadijum i dr. , čime se naročito poboljšava korozivna i hemijska postojanost kao i otpornost na visokim temperaturama.

Klasifikacija primesa (4 x. S) • Stalne primese su silicijum, mangan, aluminijum, sumpor i fosfor • Skrivene primese čine: kiseonik, vodonik i azot • Slučajne primese čini bilo koji elemenat (Cu, As, Sn, Zn, Ni) • Specijalne primese su elementi, koji se u odredjenim količinama dodaju čeliku radi izmene njegove strukture i osobina

Klasifikacija čelika • Klasifikacija čelika se može izvršiti na više načina ali su najčešće klasifikacije po: § Hemijskom sastavu i § Nameni

Klasifikacija čelika prema hemijskom sastavu o Ugljenični čelici o Nisko-ugljenične (0, 025 - 0, 25% C) o Srednje-ugljenične (0, 25 - 0, 60% C) o Visoko-ugljenične (0, 60 - 2, 0% C) o Legirani čelici - dele prema sadržaju legirajućih komponenti na: o niskolegirane, o srednjelegirane i o visokolegirane.

Klasifikacija čelika prema nameni • Konstruktivne § Ugljenične konstruktivne čelike i § Legirane konstruktivne čelike • Alatne i • Specijalne čelike § Nerđajuće čelike, § Vatrootporne ili otporne na visokim temperaturama i § Čelike sa posebnim fizičkim osobinama

Liveno gvožđe-legure sa više od 2 %C • Belo sirovo gvožđe se dobija brzim hlađenjem i kako sadrži dosta mangana koji otežava izdvajanje ugljenika, to je ugljenik hemijski vezan za gvožđe u obliku karbida gvožđa (Fe 3 C). Dalje ide uglavnom na preradu u čelik. • Sivo sirovo gvožđe sadrži veći procenat silicijuma koji olakšava izdvajanje ugljenika, tako da se on prilikom sporog hlađenja izdvaja u vidu ljuspica grafita. Sivo sirovo gvožđe se koristi za dalju preradu u liveno gvožđe.

Nodularni liv • Dodavanjem malih količina magnezijuma i/ili cerijuma sivom livu pre livenja dobija se potpuno različita mikrostruktura a samim tim i drugačija mehanička svojstva. Ugljenik se kod nodularnog liva izdvaja u obliku grafita koji ima oblik nodula (odatle i naziv). Nastala legura se naziva nodularni liv • On ima mehanička svojstva koja se približavaju čeliku

Kompaktno grafitno gvožđe § Kao što je slučaj kod sivog i nodularnog gvožđa, ugljenik je prisutan u obliku grafita zahvaljujući učešću Si § Sadržaj Si je između 1, 7 i 3 %, dok je koncentracija ugljenika između 3, 1 i 4% § Kompaktno grafitno gvožđe se danas koristi u velikom broju vrlo važnih elemenata dizel motora, kućišta reduktora, kočnionih pločica za vrlo brza vozila itd.

Obojeni metali i njihove legure • Obojeni metali se dele na LAKE i TEŠKE • LAKI OBOJENI METALI su oni čija specifična masa ne prelazi 3, 5 gr/cm 3. Laki metali i njihove legure imaju slabije mehaničke osobine od čelika i skuplji su, ali su otporniji prema koroziji od običnih čelika, imaju manju specifičnu masu i mogu se dobro oblikovati plastičnom preradom i livenjem. Od svih lakih metala najviše se proizvodi Al a zatim Mg, Be i Ti • TEŠKI OBOJENI METALI se dele na teške obojene metale sa: o Niskom tačkom topljenja (Sb, Zn, Pb, Bi, Sn, itd. ) i o Visokom tačkom topljenja (Mo, Cr, Co, Ni, Cu, itd. ).

Čelik vs. obojeni metali • Čelik i druge legure gvožđa se koriste u znatno većim količinama nego legure obojenih metala jer imaju širi opseg mehaničkih svojstava i za njih postoje savladane, dobro poznate ekonomične tehnologije proizvodnj. • Međutim, one imaju neka izuzetno izražena ograničenja: o Relativno visoku gustinu, o Relativno nisku električnu provodnost i o Veliku podložnost koroziji u uobičajenim okruženjima.

Bakar, osobine i legure • Bakar se dobija iz ruda koje obično sadrže 1 - 2 % bakra i to iz: halkozina (Cu 2 S), halkopirita (Cu. Fe. S 2) a ređe malahita (Cu. CO 3) i kuprita (Cu 2 O). • Najznačajnije osobine bakra, koje mu obezbeđuju široku primenu su: § Dobra električna i toplotna provodljivost, § Visoka plastičnost i § Mogućnost dobijanja legura sa dobrim mehaničkim osobinama.

Bakar, osobine i legure • Odlikuje se crvenkastom bojom. Specifična masa bakra je 8, 89 g/cm 3. Tačka topljenja je 1083 ˚C, zatezna čvrstoća u žarenom stanju 200 -250 N/mm 2 a izduženje do 50 %, dok je čvrstoća nakon obrade deformacijom 300 -400 N/mm 2. • Posle srebra bakar je najbolji elektroprovodni materijal, pa se stoga najviše upotrebljava u elektrotehnici. • Bakar se zavaruje i lemi, ali se teško lije, jer lako upija gasove • Vrlo dobro se obrađuje valjanjem, izvlačenjem i presovanjem • Bakar se prevlači tankim zelenim slojem oksida koji ga štiti od dubljeg razaranja.

Mesing - legura bakra sa cinkom • Mesing obično sadrži od 40 - 50 % Zn. • Mehaničke osobine zavise od sadržaja cinka i najbolje su pri sadržaju oko 40 %. • Povećanje sadržaja cinka preko 50 % nema korisnog dejstva jer čvrstoća i plastičnost naglo padaju.

Bronza - legure bakra i kalaja • Pored bakra i kalaja mogu da sadrže još i Zn, Pb, Al, Mn, Cr, Be, Si itd. • Ako se jedan od navedenih elemenata nalazi u bronzi u većim količinama, onda bronza dobija naziv po tom elementu, npr. aluminijumska bronza, silicijumska bronza itd. • Kalajna bronza ili obična bronza u prvom redu ima veću čvrstoću i korozionu otpornost od čistog bakra. Osim toga, ima mali koeficijent trenja i dobru postojanost na habanje. Ima dobru livkost i bolje se od mesinga obrađuje rezanjem.

Aluminijum, osobine i legure • Aluminijum i njegove legure se karakterišu malom gustinom (2, 7 g/cm 3), visokom električnom i toplotnom provodljivošću i otpornošću na koroziju. • Osnovna ruda za dobijanje aluminijuma je boksit – Al 2 O 3. n. H 2 O • Boksit se retko nalazi čist. Sadrži dosta primesa poput Fe 2 O 3, Si. O 2, Ti. O 2, itd. • Razlikuju se crveni boksit sa malo Si. O 2 (1 - 5 %) i Fe 2 O 3 (20 - 25 %) i beli boksit sa dosta Si. O 2 (do 25 %) i Fe 2 O 3 (do 5 %).

Aliminijum i njegove legure • Aluminijum je vrlo mek i elastičan, dobro se kuje i valja u hladnom stanju. • Od aluminijuma se izrađuju limovi, trake, žice, cevi i sl. Izrada se vrši presovanjem, valjanjem, i izvlačenjem • Ima svojstvo slabe livkosti (teško se lije) jer ne popunjava dobro kalupe i daje porozan (šuplikav) odlivak • Na vazduhu je postojan. Na površini aluminijuma stvara se oksidna skrama Al 2 O 3 koja je nepropustljiva i štiti ga od korozije.

Legure aluminijuma • Legirajući elementi aluminijuma su: Cu, Mg, Mn, Si, Zn, Fe i Ni • Legure aluminijuma se dele na dve grupe: o Legure za obradu deformacijom i o Legure za livenje

Legure aluminijuma za obradu deformacijom Ova grupa se deli na: • Legure koje ne ojačavaju termičkom obradom i • Legure koje ojačavaju termičkom obradom § Duraluminijum je složena legura u čiji sastav ulazi: § Aluminijum, § Bakar i § Magnezijum § Duraluminijum se dobro deformiše u toplom i hladnom stanju, a za ojačavanje se koristi kaljenje i prirodno starenje.

Legure aluminijuma za livenje § Silumin je legura aluminijuma sa silicijumom § Sadržaj silicijuma se obično kreće od 10 - 13 % § Ova legura je otporna prema koroziji, lako se topi i lije. Koristi se za livenje proizvoda složenog oblika i tankih zidova § Upotrebljava se u auto i avio industriji, preciznoj mehanici, gradjevinarstvu i za izradu predmeta za široku potrošnju § Dobio je naročito široku primenu kada je otkriveno da se dodavanjem sasvim malo (0, 1%) natrijuma povećava čvrstoća od 100 N/mm 2 na 200 N/mm 2 § Uvođenje natrijuma kao modifikatora utiče se na dobijanje sitnozrne strukture silumina

Legure aluminijuma za livenje § Al-legure za klipove motora sa unutrašnjim sagorevanjem, koji rade u uslovima visokih temperatura i čestih udara § Od materijala za klipove se zahteva: mala specifična masa, očuvanje visoke čvrstoće i otpornosti na habanje pri povišenim temperaturama, dobra provodnost toplote i mali koeficijenat toplotnog širenja § Legure aluminijuma za izradu klipova presovanjem su legure koje su po sastavu slične duraluminijumu stim što se dopunski uvode još Ni i Ti. Nikl se uvodi radi povećanja vatrostalnosti i mehaničkih osobina, a titan obezbeđuje stvaranje sitnozrne strukture

Olovo, osobine i legure § Olovo se dobija iz ruda galenita (Pb. S) i ceruzita (Pb. CO 3) § Olovo je srebrnasto sjajan metal § Specifična masa mu je 11, 3 g/cm 3 a temperatura topljenja 327 ˚C § Veoma je meko, mekše od svih teških metala § Čvrstoća na zatezanje 12 - 15 MPa (legiranjem se može povećati do 50 MPa), a relativno izduženje 55 % § Slab je provodnik toplote i električne struje

Cink, osobine i legure § Cink je matal plavkasto bele boje. Specifična masa mu je 7, 13 g/cm 3 § Temperatura topljenja mu je 419 ˚C a ključanja 906 ˚C § Najvažnija ruda za dobijanje cinka je sfalerit (Zn. S) a ređe smitsonit (Zn. CO 3) § Čist cink se upotrebljava za izradu limova za pokrivanje krovova, za izradu oluka i za oblaganje rezervoara. Nije postojan prema kiselinama i alkalijama

Titan, osobine i legure § Titanijum i njegove legure su najnoviji inženjerski materijal koji poseduje izuzetnu kombinaciju svojstava § Čist metal ima relativnu nisku gustinu (4, 5 g/cm 3), visoku tačku topljenja (1668 °C) i modul elastičnosti od 107 GPa § Titanijumove legure su izuzetno jake; zatezna čvrstoća na sobnoj temperaturi dostiže 1400 MPa što rezultira izuzetno velikom specifičnom čvrstoćom § Ti legure su izuzetno žilave i lako se kuju i obrađuju

Vatrostalni metali • • • Metali sa visokim temperaturama topljenja su klasifikovani kao vatrostalni metali U ovu grupu spadaju: niobijum (Nb), molibden (Mo), volfram (W) i tantal (Ta) Temperature topljenja su između 2468 °C za niobium i 3410 °C za volfram, koji ima najvišu tačku topljenja od svih metala Interatomske veze kod ovih metala su izuzetno jake To utiče na njihovu visoku temperaturu topljenja, svojstvo da imaju i dodatno veliki modul elastičnosti, visoku čvrstoću i tvrdoću i to kako na ambijentalnim tako i na povišenim temperaturama.

Super legure § Ove legure se klasifikuju prema dominirajućem metalu (koje može biti kobalt ili gvožđe) § Kao legirajući elementi se koriste vatrostalni metali (Nb, Mo, W, Ta), kao i hrom i titanijum § Pored primene kod turbina ove legure se koriste i za izradu nuklearnih reaktora i kod petrohemijske opreme

Plemeniti metali § U ovu grupu metala spadaju srebro, zlato, platina, paladijum, rodijum, rutenijum, iridijum i osmijum § Ag, Au, Pt se koriste za izradu nakita u elektronskoj industriji, za patiniranje itd. § Platina se koristi za hemijsku laboratorijsku opremu kao katalizator (pogotovo prilikom proizvodnje benzina) i za izradu termo parova za merenje visokih temperatura