1

03/10/2015 Copyright: Prof. dr. sc. Lidija Ćurković

MATERIJALI I

Predmetni nastavnici:

Prof. dr. sc. Lidija Ćurković

Prof. dr. sc. Zdravko Schauperl

Doc. dr. sc. Alar Željko

2. PREDAVANJE IZ MATERIJALA I ODRŽAT ĆE SE U

SUBOTU 3.10.2015. OD 12:15 DO 14:00 SATI U DVORANI A

(UMJESTO ČETVRTKA 8.10.2015.).

MATERIJALI I

(SATNICA: 2+1)

PREDAVANJA (2 školska sata): utorak, 10:15-11:00; 11:15-12:00

četvrtak, 12:15-13:00; 13:15-14:00

POČETAK VJEŽBI:

U TJEDNU OD 12.10. – 16.10. 2015. PREMA RASPOREDU KOJI

ĆE BITI NA OGLASNIM PLOČAMA I WEB STRANICI FAKULTETA.

Vježbe se mogu pohađati isključivo u predviđenim terminima za

dodijeljenu grupu. Samo u iznimnim slučajevima (bolest ili slično)

nadoknadu s nekom drugom grupom može odobriti asistentica

dr.sc. Tamara Aleksandrov, utorkom i četvrtkom

od 10 do 11 sati u sobi B3-207/4 (sjeverna

zgrada).

Referent Zavoda za materijale (Ivana Lučića 1, I kat):

gđa. Danica Rožman

Podloge za vježbe su obvezne. Studenti ih mogu skinuti s web stranice Zavoda za materijale ili kupiti u skriptarnici FSB-a.

web stranica Zavoda za materijale:

http://www.fsb.unizg.hr/zavod_za_materijale/

2

Predviđeni termini za kolokvije:

grupe studenata koji imaju predavanja: utorkom četvrtkom

1. kolokvij: 03.11.2015. 05.11.2015.

2. kolokvij: 08.12.2015. 10.12.2015.

3. kolokvij: 19.01.2016. 21.01.2016.

Materijali I obuhvaćaju tri dijela:

I. Uvod u strukturu materijala

II. Dijagrami stanja materijala

III. Mehanička svojstva materijala

MATERIJALI I

Literatura:

1. V. Ivušić, M. Franz, Đ. Španiček, L. Ćurković, Materijali I, FSB,

Zagreb, 2012.

2. F. Kovačiček, Đ. Španiček, MATERIJALI osnovne znanosti o materijalima, FSB,

Zagreb, 2000.

3. V. Ivušić, DIJAGRAMI STANJA METALA I LEGURA, FSB, Zagreb, 2003.

4. M. Franz, MEHANIČKA SVOJSTVA MATERIJALA, FSB, Zagreb, 1998.

5. M. Stupnišek, F. Cajner, OSNOVE TOPLINSKE OBRADBE METALA, FSB,

Zagreb, 2001.

TVARI ili SUPSTANCIJE su bilo koji sređeni oblik postojanja MATERIJE.

MATERIJA je sve što zauzima neki prostor i posjeduje masu.

Materijali su samo one tvari ko je se pogodnim postupcima mogu oblikovati u

predmete točno određenog oblika, veličine i uporabne vrijednosti.

MATERIJALI su čvrste TVARI od kojih je nešto izrađeno ili sastavljeno.

TEHNIČKI MATERIJALI su oni MATERIJALI od kojih se izrađuju tehnički

proizvodi, a posjeduju kombinaciju povoljnih fizikalno-kemijskih svojstava

koja nazivamo tehničkim svojstvima.

TVAR koja posjeduje tehnička svojstva mora ispuniti još dva preduvjeta da

postane TEHNIČKI MATERIJAL:

- mora se moći PRERAĐIVAT

- mora bit pristupačna CIJENOM.

I. UVOD U STRUKTURU MATERIJALA

3

Današnji život i proizvodnju sažeto obilježava izreka:

“BEZ MATERIJALA NIŠTA NE POSTOJI,

BEZ ENERGIJE SE NIŠTA NE ZBIVA I

BEZ INFORMACIJA NIŠTA NEMA SMISLA”.

Broj materijala od 1940. god. do danas ekponencijalno raste.

Procjene govore da danas raspolažemo s oko 100 000 različitih vrsta materijala.

Broj osnovnih vrsta materijala je znatno manji, raznovrsnost se postiže

variranjem SASTAVA i STRUKTURE.

OSNOVNE GRUPE TEHNIČKIH MATERIJALA

3. KERAMIKA I STAKLA

Neka svojstva keramike i stakla: tvrdi i krhki, izolatori, otporni pri povišenenim

temperaturama.

4. KOMPOZITI

Kompoziti su složeni materijali sastavljeni od najmanje dviju komponenti iz

prethodne tri grupe.

2. POLIMERI Neka svojstva polimera: mala gustoća, loši vodiči, tale se i razlažu pri razmjerno

nižoj temperaturi.

1. METALI I LEGURE (kovine i slitine)Neka svojstva metala i legura: dobri su vodiči topline i elektriciteta,

duktilni, kovki, čvrsti.

MATERIJALI u svakoj grupi imaju RAZLIČITU STRUKTURU I

SVOJSTVA.

STRUKTURA ↔ SVOJSTVA

PRIKAZ RAZINE GRAĐE MATERIJALA

Struktura materijala može se istraživati i opisati na četiri različite razine:

1. makrostruktura

2. mikrostruktura

3. nanostruktura

4. struktura na razini atoma.

4

STRUKTURA ČVRSTIH TVARI ovisi o:

2. SLAGANJU STRUKTURNIH JEDINICA:

- kristalna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica dugog dosega),

npr. metali, legure, keramika.

- amorfna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica kratkog dosega),

npr. staklo.

- kombinacija kristalne i amorfne strukture, npr. polimeri, keramika.

1. VRSTI VEZA IZMEĐU STRUKTURNIH JEDINICA

- strukturne jedinice: atomi, ioni, molekule, makromolekule.

GRAĐA ATOMA

ATOMSKA

JEZGRA

ELEKTRONSKI

OMOTAČ

PROTONI (p+)

NEUTRONI (n)

ELEKTRONI (e-)

ATOM

SHEMATSKI PRIKAZ GRAĐE ATOMA

ATOMSKA JEZGRA

ELEKTRONSKI OMOTAČ

(elektronski oblak)

Elektroni u atomu se dijele na:

- valentne elektrone koji služe za vezanje atoma.

- unutarnje elektrone koji ne sudjeluju u kemijskoj vezi, tj. koji zadržavaju svoju

konfiguraciju u svim spojevima dotičnog elementa.

Vanjsku ljusku nazivamo i valentnom ljuskom,

a elektrone u valentnoj ljusci valentni elektroni.

5

SVAKA JE VRSTA ATOMA ODREĐENA ATOMSKIM ILI

REDNIM BROJEM (Z) I MASENIM BROJEM (A).

MASENI BROJ = BROJ PROTONA + BROJ NEUTRONA

A = N (p+) + N (n)

ATOMSKI ILI REDNI BROJ = BROJ PROTONA = BROJ ELEKTRONA

Z = N (p+) = N (e-)

KEMIJSKI ELEMENT JE SKUP SVIH ATOMA S ISTIM ATOMSKIM ILI

REDNIM BROJEM (Z).

IZOTOPI su atomi određenog elementa, što znači istog atomskog

broja (Z), a različitog masenog broja (A), zbog različitog broja

neutrona u jezgri.

Npr. Izotopi vodika (H): H, H, H1

1

2

1

3

1

protij deuterij tricij

6

12,01

C

6

2s2 2p2

Ar - relativna

atomska masa

simbol elementa

broj skupine

broj periode

atomski broj (Z)

– broj elektrona

elektronska

konfiguracija

vanjske ljuske

2

14

C)/12( m

m A

12a

ar

STRUKTURA ČVRSTIH TVARI ovisi o:

1. VRSTI VEZA IZMEĐU STRUKTURNIH JEDINICA

- strukturne jedinice: atomi, ioni, molekule, makromolekule.

2. SLAGANJU STRUKTURNIH JEDINICA:

- kristalna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica dugog dosega),

- amorfna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica kratkog dosega),

- kombinacija kristalne i amorfne strukture, npr. polimeri, keramika.

VALENCIJA je svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s određenim

brojem atoma drugog elementa.

ATOMI SE MEĐUSOBNO SPAJAJU ZATO ŠTO ČINE

ENERGIJSKI STABILNIJI SUSTAV.

Elektronegativnost je svojstvo atoma da privuče na svoju stranu

elektronski oblak nastao stvaranjem kemijske veze.

ATOMI se mogu spajat međusobnim djelovanjem svojih VALENTNIH

ELEKTRONA.

7

1. IONSKA VEZA

2. KOVALENTNA VEZA

3. METALNA VEZA

VEZE IZMEĐU ATOMA (PRIMARNE ili KEMIJSKE VEZE):

VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):

1. STALNI (PERMANENTNI) DIPOLI

2. PROMJENJIVI DIPOLI

IONSKA VEZA

- nastaje spajanjem ATOMA METALA s ATOMIMA NEMETALA.

Kako nastaju ioni?

neutralni

atom

kation

(+)anion

(-)

IONSKA VEZA

Na+ 2s2 2p6 Cl- 3s2 3p6

valentni elektron

IONSKA VEZA je veza koju

uzrokuje elektrostatsko privlačenje

suprotno nabijenih iona.

8

IONSKA VEZA

IONSKA VEZA

KOVALENTNA VEZA

NASTAJE PRI SPAJANJU ATOMA NEMETALA (diobom valentnih elektrone

između atoma, stvaranjem zajedničkog elektronskog para ili više).

JEDNOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

+

DVOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

TROSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

9

METALNA VEZA

ELEKTRONSKI PLIN (slobodni valentni elektroni)

POZITIVNI METALNI IONI (jezgra + unutarnji elektroni)

VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):

- nastaju uslijed POLARIZACIJE molekule.

- mjera za POLARNOST MOLEKULE je DIPOLNI MOMENT ().

= q · a (umnožak električnog naboja i udaljenosti razmaka između

pozitivnog i negativnog naboja)

-q +q

a

POLARNOST je posljedica razlike u ELEKTRONEGATIVNOSTI elemenata

koji su povezani, ali i OBLIKA (GRAĐE) molekule.

Elektronegativnost je svojstvo atoma da privuče na svoju stranu

elektronski oblak nastao stvaranjem kemijske veze.

10

VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):

1. Van der Waalsova veza: H - Cl ...............H - Cl

2. Vodikova veza: H2O ........... H2O H – F ....... H - F

3. Inducirane dipolne veze: Fe2+ ..........O2

4. Disperzne (Londonove) veze: F – F ............ F – F ; Ar ............ Ar

B) PROMJENJIVI DIPOLI:

A) STALNI (permanentni) DIPOLI

+ -+ -

+ - + -

VODIKOVA VEZA

+ 2- + 2-

SLAGANJE STRUKTURNIH JEDINICA

ČVRSTE TVARI

AMORFNE

ili

NEKRISTALNE

STRUKTURE

KRISTALNE

STRUKTURE

MONOKRISTALNI

MATERIJALI

(pojedinačni kristal)

POLIKRISTALNI

MATERIJALI

11

KRISTALNE STRUKTURE

MONOKRISTALNI MATERIJALI

POLIKRISTALNI

MATERIJALI

GRANICE ZRNA

ZRNAturbinske lopatice

monokristal Si

(silicij)

AGREGATNA STANJA TVARI:

ČVRSTO (kruto) (s); KAPLJEVITO (tekuće) (l) i PLINOVITO (g)

tekuće (kapljevito) (l)

čvrsto (kruto) (s)

KRISTALIZACIJA metala – postupak skrućivanja metala iz taljevine.

KLICE ILI NUKLEUSI KRISTALIZACIJE.

BRZINA NUKLEACIJE

BRZINA RASTA

NUKLEACIJU I RAST.

Monokristali

Polikristali

Granice zrna

12

Tijek kristalizacije: a) pojava prvih klica,

b) i c) rast zrna i stvaranje novih klica, d) kristalizirana čvrsta tvar

Kristalna struktura neke tvari jest cjelokupni poredak strukturnih jedinica

(atoma, iona, molekula) u tzv. prostornoj rešetki.

Jedinična ili elementarna ćelija.

Jedinična Ponavljanje Ponavljanje duž osi y Ponavljanje duž osi x

ćelija duž osi z

KRISTALNI SUSTAV

Kristalni sustav se opisuje:

- kristalnim osima: x, y, z

- parametrima po kristalnim osima: a, b, c

- kutovima između kristalnih osi: , , .

Prema odnosu veličina parametara a,

b, c i kutovima , i sve kristalne

strukture mogu se prikazati u 14

vrsta jediničnih ćelija razvrstanih u 7

osnovnih kristalnih sustava.

a

b

c

x

y

z

13

KRISTALNI SUSTAVI:

1. KUBIČNI ili TESERALNI (3 jedinične ćelije)

2. TETRAGONSKI (2 jedinične ćelije)

3. ROMPSKI ili ORTOROMPSKI (4 jedinične ćelije)

4. TRIGONSKI ili ROMBOEDARSKI (1 jedinična ćelija)

5. MONOKLINSKI (2 jedinične ćelije)

6. TRIKLINSKI (1 jedinična ćelija)

7. HEKSAGONSKI (1 jedinična ćelija)

Kristalni sustav Jedinične ćelije

1. KUBIČNI ili

TESERALNI

2. TETRAGONSKI

3. ROMPSKI ili

ORTOROMPSKI

4. TRIGONSKI ili

ROMBOEDARSKI

Kristalni sustavi i pripadajuće jedinične ćelije

5. MONOKLINSKI

6. TRIKLINSKI

7. HEKSAGONSKI

Kristalni sustav Jedinične ćelije

14

Većina metala kristalizira u KUBIČNOM i HEKSAGONSKOM

SUSTAVU.

Slaganje atoma može se prikazati jediničnim ćelijama tri kristalne

rešetke u kojima kristalizira oko 90 % metala, a to su:

1. PROSTORNO CENTRIRANOJ KUBIČNOJ (BCC) (BCC - eng.

body centered cubic)

2. PLOŠNO CENTRIRANOJ KUBIČNOJ (FCC) (FCC – eng. face

centered cubic)

3. GUSTO SLAGANOJ HEKSAGONSKOJ (HCP) (HCP – eng.

hexagonal close packed).

STRUKTURA METALA (kovina)

Pokazatelji za opisivanje jedinične ćelije:

- PRIPADNI BROJ ATOMA (PBA) – je broj atoma koji pripada jednoj jediničnoj

ćeliji .

- KOORDINACIJSKI BROJ (KB) - je broj atoma koji «dodiruju» pojedini atomi, ili

broj najbližih susjednih atoma.

- FAKTOR GUSTOĆE SLAGANJA ATOMA (FGSA) - pokazuju kako je

iskorišten prostor kojim atomi raspolažu u dotičnom kristalnom sustavu.

- Kristalne osi: x, y , z (poklapaju se sa stranicama jedinične

ćelije).

- Parametri po kristalnim osima: a, b, c (najmanja međusobna

udaljenost atoma).

- Kutovi među kristalnim osima: , , .

KUBIČNI KRISTALNI SUSTAV

Karakteristike:

Kristalografske osi: x, y i z

Kutovi: = = = 90o.

Parametri po kristalografskim osima: a = b = c

Tri jedinične ćelije:

• jednostavna (SC)

• prostorno centrirana (BCC)

• plošno centrirana (FCC).

z

x

ya

a

a

15

PROSTORNO CENTRIRANA KUBIČNA

(BCC - eng. body-centered cubic) jedinična ćelija.

Primjeri: Cr, Mo, W, - Fe , Nb, V, Na, K

Model prostorno centrirane kubične jedinične ćelije: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.

PBA = 2

KB = 8

FGSA = 68 %

Volumen slobodnog prostora: 100 %- 68 % = 32 %

3

4 Ra

BCC

PLOŠNO CENTRIRANA KUBIČNA (FCC – eng. face-centered

cubic) jedinična ćelija

Primjeri: Al, Cu, Ag, Au, -Fe, Pb, Ni, Pt

Model plošno centrirane kubične jedinične ćelije: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.

16

2

R 4 a

PBA = 4

KB = 12

FGSA = 74 %

Volumen slobodnog prostora: 100 %- 74 % =26 %

Ravnina najveće zaposjednutosti atomima u FCC strukturi: (111)

Karakteristike:

kristalografske osi: x1, x2, x3 i z

Kutovi: = = 90o, = 120o

Parametri po kristalografskim osima: a1 = a2 = a3 ≠ c

HEKSAGONSKI KRISTALNI SUSTAV

x1

x2

x3

z

120°

aa

c

a

90°

17

Primjeri: Cd, Mg, Zn, Ti, Co

HEKSAGONSKI KRISTALNI SUSTAV

JEDINIČNA ĆELIJA GUSTO SLAGANE HEKSAGONSKE

KRISTALNE REŠETKE (HCP – eng. hexagonal close packed).

PBA = 6

KB = 12

FGSA = 74 %

Volumen slobodnog prostora: 100 %- 74 % = 26 %

a = 2 R

c = 1,633 a

JEDINIČNA ĆELIJA GUSTO SLAGANE HEKSAGONSKE

KRISTALNE REŠETKE (HCP – eng. hexagonal close packed).

KARAKTERISTIČNE VELIČINE BCC, FCC I HCP JEDINIČNE

ĆELIJE

Veličina BCC FCC HCP

PBA 2 4 6

KB 8 12 12

FGSA 68 % 74 % 74 %

Parametar a

izražen

polumjerom

atoma R

3

4R a

2

4R a

a = 2 R

c = 1,633 a

18

OKTAEDARSKA PRAZNINA U

FCC JEDINIČNOJ ĆELIJI

TETRAEDARSKA PRAZNINA U

BCC JEDINIČNOJ ĆELIJI

z

x

y

STRUKTURA KERAMIKE

1. IONSKI KRISTALI

2. KOVALENTNI KRISTALI

JAKOST VEZE

JAKE SLABE

UDIO IONSKOG KARAKTERA VEZE

KOVALENTNA IONSKA METALNA FIZIKALNE VEZE

% (ionskog karaktera) = 1-exp-0,25(XA-XB)2 100

XA = elektronegativnost elementa A

XB = elektronegativnost elementa B

IONSKI KRISTALI

IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između

većih aniona.

19

IONSKI KRISTALI

IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između

većih aniona.

Koordinacijski broj i vrsta praznine (koordinacijski poliedar) koji kationi

popunjavaju ovisi o omjeru rkationa/raniona.

0,155 < rK/rA < 0,225 KB = 3 (trigonalne praznine)

0,225 < rK/rA < 0,414 KB = 4 (tetraedarske praznine)

0,414 < rK/rA < 0,732 KB = 6 (oktaedararske praznine)

rK/rA < 0,155 KB = 2 (linearni raspored)

rK/rA rK/rA rK/rA

nestabilno stabilno stabilno

ZA STABILNU KORDINACIJU KATIONI I ANIONI MORAJU BITI U

KONTAKTU!

IONSKI KRISTALI

rK/rA >1,000 KB = 12 (kuboktaedarska praznia)

0,732 < rK/rA < 1,000 KB = 8 (kubična praznia)

IONSKI KRISTALI

Kristalna rešetka tipa NaCl – (radi se o dvije isprepletene plošno

centrirane kubične rešetke (FCC)

rkationa = rNa+ = 0,102 nm

raniona = rCl- = 0,181 nm

rkationa/raniona = 0,56

KB = 6 prvih susjeda (iona

druge vrste)

Ci-: FCC jedinična ćelija

Na+: u oktaedarskim prazninama

Istu kristalnu strukturu imaju: LiCl, MgO, CaO, MnO, FeO, CoO, NiO, itd.

20

KOVALENTNI KRISTALI

Npr. ZnS -kovalentna veza dominira.rkationa = r (Zn2+) = 0,06 nm

raniona = r (S2-) = 0,184 nm

rkationa/raniona = 0,33

KB = 4

S2-: FCC jedinična ćelija

Zn2+ u tetraedarskim

prazninama

% (ionskog karaktera ZnS) = 1-exp-0,25(XA-XB)2 100 = 18 %

XA = elektronegativnost elementa A; XB = elektronegativnost elementa B

elektronegativnost (Zn) = 1,6

elektronegativnost (S) = 2,5

KOVALENTNI KRISTALI:

Struktura kristala u kojoj su atomi povezani kovalentnom vezom određena je brojem

kovalentnih veza svakog pojedinog atoma i usmjerenošću tih veza.

Koordinacijski broj određuje se relacijom: 8-N, gdje je N broj valentnih elektrona.

Istu kristalnu strukturu ima npr. SiC, dijamant, Si, Ge , ............

Si

O

O

O4-

KOVALENTNI KRISTALI

SILIKATNA STRUKTURA - osnova4

4SiO

21

KOVALENTNI KRISTALI

KRISTALNA STRUKTURA KRISTOBALITA

SiO2 može imati KRISTALNU STRUKTURU (npr. kvarc, kristobalit)

ili AMORFNU STRUKTURU (npr. staklo)

AMORFNA STRUKTURA – struktura stakla

POLIMERI

POLIMERI - tvari građene od MAKROMOLEKULA.

Naziv polimer dolazi od grčkih riječi: “poli” = mnogo i “meros” = čestica.

n CH2 = CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -...... - CH2 - CH2 -n

eten ponavljana jedinicapolietilen

(PE)

monomer mer polimer

Polimeri su kondenzirani sustavi makromolekula.

Polimeri nastaju reakcijom polimerizacije najčešće nezasićenih spojeva s

dvostrukom i trostrukom kovalentnom vezom koje su energijski bogatije i

reaktivnije, npr. nastajanje PE (polietilen)

22

POLIMERI

n - stupanj polimerizacije - broj mera u polimernoj molekuli

(makromolekuli).

Polimere dijelimo (prema porijeklu) u dvije skupine: prirodne i

sintetkse polimere.

Primjeri prirodnih polimera: kaučuk (poliizopren), celuloza (polisaharid),

proteini, nukleinske kiseline,...

Monomer je tvar koja reakcijom s molekulama iste ili različite

konstitucije daje polimer.

Mer je ponavljana strukturna jedinica od koje je građena makromolekula.

POLIMOLEKULARNOST ili POLIDISPERZNOST je pojava da se

makromolekularni sustavi sastoje od smjese molekula različitih veličina i

masa.

PODJELA TEHNIČKIH POLIMERA:

B) Prema reakcijskom mehanizmu nastajanja (reakciji polimerizacije):

- adicijski (lančani)

- kondenzacijski (stupnjeviti)

D) Prema vrsti ponavljanih jedinica:

- homopolimeri (jedna vrsta ponavljanih jedinica)

- kopolimeri (dvije ili više vrste ponavljanih jedinica)

C) Prema vrsti veza između makromolekula i ponašanju pri zagrijavanju:

- plastomeri (termoplasti)

- duromeri (duroplasti)

- elastomeri.

A) Prema porijeklu:

- prirodni oplemenjeni(kaučuk, celuloza)

- sintetski

KOPOLIMERIZACIJA:

isovremena polimerizacija dva ili više bifunkcionalna sustava

od kojih je svaki za sebe sposoban za polimerizaciju

n CH2=CH-CH=CH2 (-CH2-CH=CH-CH2-)n

butadien polibutadien

stiren polistiren

Npr. kopolimer butadien : stiren = 75 : 25 predstavlja osnovu za današnju industrijsku

auto gumu-sintetski kaučuk BUNA S.

CH2=CH ( -CH

2-CH - )

nCH

2=CH ( -CH

2-CH - )

nn

23

Karakteristike adicijske (lanačane) polimerizacije:

- najčešće samo jedna vrsta monomera

- svojstva dobivenog polimera jako ovisna o stupnju polimerizacije.

Karakteristike kondenzacijske (stupnjevite) polimerizacije:

- uvijek reagiraju dva različita monomera

- uz polimer nastaje niskomolekulni nusprodukt (voda, CO2)

- umrežena struktura nastaje u nekoliko potpuno odvojenih faza (oblikovanje u fazi

dobivanja).

B) Prema reakcijskom mehanizmu nastajanja (reakciji polimerizacije):

- adicijski (lančani)

- kondenzacijski (stupnjeviti)

STRUKTURA POLIMERA OVISIT ĆE O:

1. VRSTI VEZA IZMEĐU MAKROMOLEKULA

2. SLAGANJU MAKROMOLEKULA

Podjela polimera prema vrsti veza između makromolekula i ponašanju

pri zagrijavanju:

1. PLASTOMERI (termolasti) FIZIKALNE VEZE IZMEĐU

MAKROMOLEKULA LINEARNA STRUKTURA

ZAGRIJAVANJEM MEKŠAJU I TALE SE

Npr. - polietilen, PE;

- polipropilen, PP;

- polistiren, PS;

- poli(tetrafluoretilen), PTFE (teflon);

- polioksimetilen, POM;

- poli(metil-metakrilat) , PMMA (organsko staklo, Pleksiglas);

- polikarbonati, PC;

- poli(etilen-tereftalat), PET.

24

2. ELASTOMERI FIZIKALNE I KEMIJSKE VEZE IZMEĐU

MAKROMOLEKULA RAHLO UMREŽENA STRUKTURA

ZAGRIJAVANJEM MEKŠAJU I NE TALE SE

Npr. gume

3. DUROMERI KEMIJSKE VEZE IZMEĐU MAKROMOLEKULA

POTPUNO UMREŽENA STRUKTURA ZAGRIJAVANJEM NE

MEKŠAJU I NE TALE SE

Npr. - fenolformaldehidna smola, PF;

- epoksidna smola, ES;

- melamin-formaldehhidne smole, MF.

SLAGANJE STRUKTURNIH JEDINICA (makromolekula)

Stupanj kristaliničnosti:

5 % - 96 %

PE (polietilen)

područje sa kristalnom

strukturom

područje sa amorfnom

strukturom

POLIMORFIJA ili ALOTROPIJA

POLIMORFIJA ili ALOTRPIJA je pojava da se neka tvar javlja u DVA ili

VIŠE STRUKTURNIH OBLIKA pri promjeni vanjskih uvjeta (tlak,

temperatura).

ALOTROPSKE modifikacije Fe:do 911 oC BCC (-Fe)

911 – 1394 oC FCC (-Fe)

1394 oC iz FCC u BCC (-Fe)

POLIMORFNE modifikacije SiO2 :

KREMEN, KVARC870 oC

TRIDIMIT1470 oC

KRISTOBALIT

Pojam ALOTROPIJA se rabi za elemente, dok se pojam

POLIMORFIJA rabi za spojeve.

25

ALOTROPSKE modifikacije C

DIJAMANT

FULEREN, C60, Buckminsterfulleren

GRAFIT

Deformacija metala ostvaruje se u pravilu na ravninama najgušće zaposjednutim

atomima u smjeru pravaca najgušćeg slaganja atoma.

Ravnine na kojima se ostvaruje deformiranje nazivamo KLIZNIM

RAVNINAMA, a pravce KLIZNIM PRAVCIMA.

KLIZNE RAVNINE i njima pripadajući KLIZNI PRAVCI čine KLIZNI

SUSTAV.

KLIZNI SUSTAV

4 kilzne ravnine x 3 klizna pravca = 12 kliznih sustava

Ravnine najveće zaposjednutosti atomima u FCC strukturi su {111}, najgušće slagani

pravce su 110 .

26

6 kilznih ravnina x 2 klizna pravca = 12 kliznih sustava

BCC struktura nema ravnine najveće zaposjednutosti atomima poput FCC strukture.

Relativno najgušće slagane ravnine u BCC strukturi su {110}. BCC struktura ima

najgušće slagane pravce 111 .

1 kilzna ravnina x 3 klizna pravca = 3 klizna sustava

Ravnina najveće zaposjednutosti atomima u HCP strukturi je (0001).

x1

x2

x3

z

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/miller_indices/lattice_draw.php

Deformabilnost ovisi o vrsti kristalne rešetke:

- FCC jednostavno za plastično deformiranje

- BCC nešto slabije za plastično deformiranje od FCC

- HCP teško za plastično deformiranje osim u slučaju tople obrade.

Općenito, metali koji imaju veći broj kliznih sustava su duktilniji od metala koji

imaju manji broj kliznih sustava.

Zbog toga su metali sa FCC i BCC rešetkom općenito duktilni dok su metali sa

HCP rešetkom manje duktilni.

Što je veću plastičnu deformaciju materijal sposoban podnijeti bez loma to je

duktilniji.

27

Nesavršenosti kristalne građe

Difuzija

Legure, kristali legura

Nesavršenosti (nepravilnosti, pogreške) kristalne građe:

- Nuldimenzijske ili točkaste

- Jednodimenzijske ili linijske

- Dvodimenzijske ili površinske

- Trodimenzijske ili prostorne (volumne)

Mikrostruktura: struktura + nesavršenost (nepravilnost, pogreška)

Nuldimenzijske ili točkaste nesavršenosti:

- praznine (vakancije)

- supstitucijski (zamjenski) atom

- intersticijski (uključinski) atom

Praznina ili vakancija Veći supstitucijski

(zamjenski)

strani atom

Intersticijski (uključinski)

strani atom

28

Shematski prikaz točkastih nesavršenosti (Strelice pokazuju lokalne napetosti na

mjestima gdje su točkaste nesavršenosti):

3 – intersticijski atom1 – praznina (vakancija)

2 – samo-intersticijski atom

(samodifuzija kod čistih metala)

4 – manji supstitucijski strani atom 5 – veći supstitucijski strani atom

Jednodimenzijske ili linijske nesavršenosti:

- bridna dislokacija

- vijčana dislokacija

Jednodimenzijske nesavršenosti: BRIDNA DISLOKACIJA

U kristalnoj strukturi

postoji jedna dodatna

(umetnuta) ravnina koja

se ne proteže kroz cijeli

kristal nego završava

negdje u unutrašnjosti .

oznaka

bridne

dislokacije

Veličina i smjer sklizanja koji proizlazi iz

kretanja pojedinačne dislokacije određeni

su BURGERSOVIM VEKTOROM , b.

b

29

Jednodimenzijske nesavršenosti: BRIDNA DISLOKACIJA

- postoji jedna dodatna ravnina koja se NE proteže kroz cijeli kristal nego završava negdje u

unutrašnjosti.

Gibanje dislokacija. Dislokacije utječu na plastičnost kristala (neelastična deformacija). Plastična

deformacija rezultat je gibanja dislokacija.

Oznaka za bridnu dislokaciju:

Veličina i smjer sklizanja koji proizlazi iz

kretanja pojedinačne dislokacije određeni

su BURGERSOVIM VEKTOROM , b.

Klizna ravnina

30

Jednodimenzijske nesavršenosti: VIJČANA DISLOKACIJA

- u dijelu kristala ravnine su pomaknute jedna u odnosu na drugu.

Nema dodatne kristalne ravnine.

Oznaka za vijčanu dislokaciju:

Dislokacije u niklu (Ni) (crne linije i

petlje), slika je dobivena transmisijskim

elektronskim mikroskopom.

Osnovne dislokacije se mogu kombinirati i tvoriti složene linijske nesavršenosti. Realni kristali imaju

miješane dislokacije (kombinacija bridne i vijčane).

Kristal prije

pomaka

Kristal nakon

određenog pomaka

Cijeli pomak kroz

dio kristala

Cijeli pomak kroz

čitav kristal

Vijčani dio

dislokacije

Bridni dio

dislokacije

Dislokacije, slika je dobivena transmisijskim elektronskim

mikroskopom (povećanje je od 50 000 do 300 000 x)

Dvodimenzijske nesavršenosti:

- Malokutne granice kristalnog zrna

- Velikokutne granice kristalnog zrna

- Granice dvojnika

- Fazne granice

31

Granica zrna Kristalno zrno

Velikokutne granice zrna

Malokutne granice zrna

Granice dvojnika

Trodimenzijske nesavršenosti:

- to nisu nesavršenosti kristala već su pogreške materijala: pore, uključine....

DIFUZIJA:

Mehanizam kojima se tvari premještaju kroz tvari u plinovitom,

tekućem i čvrstom (krutom) stanju.

Difuzija je toplinski aktivirani proces, najviše ovisi o tepmeraturi i

vremenu.

Difuzija kod metala i legura je pojava kretanja atoma u kristalnoj rešetci.

To je toplinski aktiviran proces ovisan o vremenu.

U čvrstom (krutom) stanju mehanizmi kretanja atoma mogu biti:

1. Supstitucijski (zamjenski) mehanizam

2. Intersticijski (uključinski) mehanizam

32

1. Supstitucijski mehanizam (izmjena mjesta atoma i praznina )

2. Intersticijski mehanizam

Na intenzitet difuzije utječe:

• - Temperatura

• - Kristalna struktura

• - Koncentracija tvari koja difundira

• - Nesavršenosti kristala

• - Vrijeme

Intenzitet difuzije označavamo s J (broj atoma, grama ili molova tvari koje

prolaze kroz ravninu jedinične površine u jedinici vremena)

I. Fickov zakon:

J = -D dc/dx,

Gdje je :

D - difuznost ili koeficjent difuzije,

dc/dx - gradijent koncentracije ,

D – difuznost ili koeficijent difuzije (je mjera pokretljivosti difundirajućeg atoma)

je definirana sljedećim izrazom:

D = Do e –Qd/RT, m2/s

Gdje su:

Do – konstanta difuzije materijala (m2/s),

Qd - energija aktivacije difuzije (J/mol),

R - plinska konstanta (8,31 J/mol K),

T - apsolutna temperatura (K).

sm

atoma brojili

sm

mol ili

sm

kgJ

222

33

STRUKTURA LEGURA ili slitina

Legura je tvar koju čine dva ili više kemijskih elemenata, od kojih je

barem jedan kemijski elemenat METAL, a drugi mogu biti METAL(I) i

/ ili NEMETAL (I).

KRISTALI LEGURA:

1. KRISTALI MJEŠANCI:

- supstitucijski ili zamjenski

- uključinski ili intersticijski

- kombinacija supstitucijsko - intersticijski odnosno zamjensko - uključinski

2. KRISTALI INTERMETALNOG SPOJA

3. KRISTALI KEMIJSKOG SPOJA

4. KRISTALE SMJESE

Elementi tvore zajedničku kristalnu rešetku (sačuvana je rešetka

jednog od njih).

Uvjeti za nastajanje kristala mješanaca:

- faktor veličine atoma ,

- faktor elektronegativnosti,

- faktor valencije ,

- kristalna struktura .

1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)

1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)

• supstitucijski ili zamjenski

Primjeri: - Cu-Ni legure;

- Cu-Zn legure (mjedi): Zn ima topljivost u Cu do 30 % Zn;

- Cr u Fe

atomi topitelja (Fe)

atomi otopljenog elementa (Cr)

Cu-Ni legure:

Cu: FCC rešetka, R (Cu) = 128 pm

Ni: FCC rešetka , R (Ni) = 125 pm

34

1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)

• uključinski ili intersticijski

Primjer - čelici: C u Fe

atomi topitelja (Fe)

atomi otopljenog elementa (C)

1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)

• kombinacija supstitucijsko - intersticijski odnosno zamjensko - uključinski

(primjer: Cr, C i Ni u Fe)

atomi topitelja (Fe)

atomi otopljenog elementa (Cr)

atomi otopljenog elementa (C)

atomi otopljenog elementa (Ni)

Elementni tvore novu zajedničku rešetku. Nastaju kada koncentracija

legirajućeg elementa prijeđe granicu topljivosti u osnovnom metalu.

2. KRISTALI INTERMETALNOG SPOJA (sekundarne

čvrste otopine)

Kristali intermetalnog spoja - obje komponente metali, npr. legure Cu i Zn

(mjedi s udjelom Zn preko 30 %): β–CuZn, γ–Cu5Zn8, ε–CuZn3.

3. KRISTALI KEMIJSKOG SPOJA

• jedna komponenta je nemetal, npr. MnS (javlja se kod čelika).S je nemetal, Mn je metal; razlika u elektronegativnosti je prevelika.

Kemijski

element

R, (radijus

atoma, nm)

Kristalna

struktura

Elektrone-

gativnost Valecija

Mn (mangan) 0,135 BCC 1,55 +2

S (sumpor) 0,127 2,58 -2

35

4. KRISTALE SMJESE

• dvije komponente potpuno netopljive jedna u drugoj.

Primjer: legure Cu i Pb (oba metala imaju FCC rešetku, ali je prevelika

razlika u veličini atoma da bi tvorili kristale mješance).

Kemijski

element

R, (radijus

atoma, nm)

Kristalna

struktura

Elektrone-

gativnost Valecija

Cu (bakar) 0,1278 FCC 1,9 +2

Pb (olovo) 0,175 FCC 2,33 +2

Ista kristalna struktura, razlika u elektronegativnosti nije prevelika,

ali je prevelika R, %.

%93,361000,1278

0,1278-0,175 100

(Cu) R

(Cu) R- (Pb) R Cu)-(Pb ΔR