Prof. dr. sc. Tomislav Filetin Dr. sc. Vera Rede, izv. prof. · Materijali i povijest civilizacije...

Prof. dr. sc. Tomislav Filetin

Dr. sc. Vera Rede, izv. prof.

Dr. sc. Irena Žmak, doc.

IZBOR MATERIJALA 3+3, 2014.

9 ECTS !

180 sati rada studenata

PREDAVANJA (pon. 8.30-14) A-207:

16.3. 1. Materijali kroz povijest. Resursi sirovina i materijala (TF)

23.3. 2. Razvoj proizvoda i IM.

30.3. 3. Veze između razvoja proizvoda i IM - nastavak.

Metodologija IM - uvod.

13.4. 4. Zahtjevi: funkcionalnost i eksploatabilnosti. Mehanička

otpornost pri normalnim temp.

20.4. 5. Krhki lom i umor, vibracije

27.4. 6. IM pri povišenim temperaturama

04.5. 7. IM u uvjetima trošenja

11.5. 8. IM u uvjetima korozije

18.5. 9. Tehnologičnost i izbor proizvodnih postupaka

25.5. 10. Tehnologičnost (nast.). Cijena i troškovi i nabavljivost

01.6. 11. Taktilnost, Estetičnost, Recikličnost

08.6. 12. Svojstva. Kvantitativne metode izbora i optimalizacije

15.6 13. Inf. sustavi. CAMS i ES

VJEŽBE: srijeda 11.15-14, A207

18.3. 1. Označivanje materijala

25.3. 2. Repetitorij svojstava podskupina materijala I (studenti)

01.4. 3. Repetitorij svojstava podskupina materijala II (studenti)

08. 4. 4. Repetitorij svojstava podskupina materijala III (studenti)

15.4. 5. Repetitorij svojstava podskupina materijala IV (studenti)

22.4. 6. K1. Trendovi - Suvremeni materijali

29.4 7. CES

06.5. 8. Prokaljivost

13.5. 9. IM za dijelove alata

20.5. 10. Primjeri IM-CES

27.5. 11. Primjeri IM

03.6. 12. Zadaci studenata

10.6. 13. K2. Anketiranje

OBVEZE STUDENATA:

- Redovito pohađati predavanja i vježbe (oko 20 % bodova)

- Položiti 2 kolokvija, nema ponavljanja (oko 20 % bodova)

- Obraniti seminarski rad (oko 60 % bodova)

DANAŠNJI SADRŽAJ PREDAVANJA

Materijali kroz povijest civilizacije

Resursi sirovina i proizvodnja

materijala

Copyright TF

MATERIJALI KROZ

POVIJEST CIVILIZACIJE

VRSTE MATERIJALA KROZ POVIJEST

KOST

The first king: Menes

Early history 3000 BC

Razvoj materijala kroz povijest

Julius Caesar Henry VIII Queen Victoria 1837 - 1901 Franklin Roosevelt 1933 - 1945

21st Century

danas

- Laminati

- Sendviči

- Polimerno-drvni kompoziti

KERAMIKA - NEKAD

Kućište tiristora

Brtvene pločice, vodilice

konca, mlaznice

Cijevni luk za transport praha

Izolator

TEHNIČKA KERAMIKA DANAS

Kuglice ležaja od

SN

Koluti za žicu od ZrO2

Materijali i povijest civilizacije

- Bakar (Cu) je najstariji metal, pronađen u srednjem

kamenom dobu (8 000 gpK).

Taljenje je bilo poznato 6 000 gpK. a vađenje ruda 2 000 gpK.

U istom razdoblju pronađeno je i zlato.

- Brončano doba je započelo na Bliskom Istoku oko 3 000 gpK,

u srednjoj Europi 1 800 do 700 gpK, a u Grčkoj 500 gpK.

- Hrvatska – “Vučedolska kultura” oko Vukovara

lijevanje Cu-legura 3000 gpK.

BAKAR JE JEDAN OD NAJSTARIJIH METALA

BAKRENO I BRONČANO DOBA

Vela spilja

Vela Luka

Oružje

Zvona

Uporabni predmeti

za “recikliranje”

Cu u Cu-gegure danas

Materijali i povijest civilizacije

Željezno doba slijedi u Europi brončano oko 1 000 gpK, a

traje i danas.

- Postupci proizvodnje i prerade željeza su relativno noviji

taljenje i lijevanje je razvijeno u 14. st.

- Procesi u visokoj peći u 16. st.

- Proizvodnja neleg. čelika u 18. st., a legiranih tek u 20. st.

Austenitni nehrđajući čelici razvijeni su kvantitativnom

primjenom znanstvenih spoznaja oko 1935., a

mikrolegirani čelici povišene čvrstoće tek oko 1965. g.

PRIMJENE NELEGIRANIH KONSTRUKCIJSKIH ČELIKA

PRIMJENE ALATNIH

ČELIKA

Dno:

Sendvič aluminij+

austenitni čelik

PRIMJENA AUSTENITNIH ČELIKA

Materijali i povijest civilizacije

Industrijska proizvodnja aluminija je stara tek nešto više od

120 g. (1889. u Švicarskoj).

Al-legure razvijene su oko 1920. god.

Prirodni kaučuk kao prvi polimerni materijal se počinje

proizvoditi 1839. g., industrijska proizvodnja današnjih

polimera počinje tek oko 1930. god.

Današnji suvremeni materijali:

nove legure, intermetalni spojevi, tehnička keramika,

kompoziti, ćelijasti materijali (pjene), nanostrukturirani

materijali...

TIPIČNI PRIMJERI DANAŠNJIH PROIZVODA OD AL I AL-LEGURA

PRIMJENE POLIMERNIH MATERIJALA

PRIMJENE Ni-LEGURA

BOEING 787

POLIMERNI KOMPOZITI

Polimerni kompoziti i sport

Pistorius-ova proteza (opruga) od

PMC (ugljična vlakna)

http://www.youtube.com/watch?v=ZCNUSA04DuM

METALNI KOMPOZITI

KERAMIČKI KOMPOZITI

MINERALNI LIJEV/POLIMERNI BETON

ZA POSTOLJA STROJEVA

PREDNOSTI

- manja masa

- 6-10x brže prigušenje vibracija nego SL

- mala toplinska vodljivost i neosjetljivost

na T

- korozijski postojan

- sloboda konstrukcijskog oblikovanja

- hladan postupak oblikovanja

KERROCK I CORIAN - PRIMJENE

pluto

drvo balza

spužva kost

koralj sipina kost

list

irisa stabljika

biljke

ĆELIJASTE STRUKTURE U PRIRODI

ĆELIJASTI MATERIJALI – METALNE PJENE

SENDVIČ KOMPOZITI – RAZLIČITI OBLICI ĆELIJA

JEZGRI

Polimerni sendviči u dizajnu

Današnji svijet materijala

PE, PP, PC

PA

Plastomeri,

duromeri,

elastomeri

Polimerne

Metalne

Pjene Keramičke

Staklene

Drvo

Prirodni

materijali Prirodna vlakna

Koža, Kamen

Papir

GFRP

CFRP

Kompoziti Polimerni

Metalni

Keramički

Hibridi

Al2O3

Zro2

SiC

Keramike

stakla

Čelici

Ljevovi

Al-legure

Metali Cu-legure

Ni-legure

Ti-legure

Mg-legure

Unit 1, Frame 1.4

Danas ima >100.000 vrsta

tehničkih materijala.

Zadnjih 80-ak godina u

primjenu je ušlo toliko novih

vrsta kao u cijelom

prethodnom razdoblju.

Današnja proizvodnja materijala u svijetu

Vrsta materijala Proizvodnja u 106 t

Drvo bez ogrijevnog 1200

Beton 950

Čelici i Fe ljevovi 1130

Polimeri oko 200 →najveći porast

Aluminij 25

Bakar 10

Cink 7

Olovo 6

Nikal 1

Hrvatska pretežno uvozi sve osim drva i betona

vrlo je važna oporaba (recikliranje) materijala i

obnavljanje proizvoda

PROIZVODNJA SIROVOG ČELIKA 1870.-2005.

Ostale zemlje

POTROŠNJA ČELIKA PO STANOVNIKU

PROGNOZE PROIZVODNJE I PRIMJENE MATERIJALA

Polimeri

POJAM ”NAPREDNI, SUVREMENI ILI NOVI

MATERIJALI":

1.Bitno novi sastav, struktura i svojstva

2.Bitno novi postupak proizvodnje i oblikovanja

3.Nova područja primjene u odnosu na "klasične"

materijale - relativno, jer ovisi o znanju korisnika.

Od ideje o novom materijalu do njegove industrijske

primjene može proteći barem 10 do 15 godina, a kod

kompliciranijih problema i više od 40 godina.

KOJI SU ZA VAS NOVI MATERIJALI?

Proizvodnja novih materijala najčešće je povezana s

proizvodnim postupcima za pravljenje tvorevina.

"Materials Technology" - proizvodni postupci tijekom

kojih se bitno mijenja sastav i mikrostruktura, odnosno

formiraju svojstva materijala, a često i ujedno svojstva

konačnog proizvoda.

TEHNOLOGIJE MATERIJALA

Primjeri:

klasični postupci lijevanja metala,

proizvodnja duromernih i gumenih običnih i kompozitnih

tvorevina,

postupci praoblikovanja praha,

lasersko sinteriranje,

postupci modificiranja i prevlačenja površina.

Učestalost vrste oštećenja u eksploataciji

% Oštećenja Vrsta oštećenja Industrijska

postrojenja Dijelovi zrakoplova

korozija 29 3

lom od umora 25 61

krhki lom 16 -

preopterećenje 11 18

visokotemperaturna korozija

7 2

napetosna korozija 6 8

puzanje 3 -

trošenje abrazijom i erozijom

3 7

Uzroci oštećenja u eksploataciji

% Oštećenja Uzrok oštećenja Industrijska

postrojenja Dijelovi zrakoplova

neodgovarajući materijal 38 -

pogreške u proizvodnji 15 17

pogreške pri toplinskoj obradi 15 -

pogreške konstruiranja 11 16

neanticipirani radni uvjeti 8 10

nekontrolirano stanje okoliša 6 -

neodgovarajuća kontrola kvalitete

5 -

neodgovarajuće održavanje - 44

pogreške u materijalu - 7

nepoznato - 6

TROŠKOVI PRIMJENE

NOVIH MATERIJALA

Razvrstavanje materijala prema cijeni

10…>50 €/kg

Resursi sirovina i materijala

SUSTAVNOSNI PRISTUP SIROVINAMA I MATERIJALIMA

SUSTAV

LJUDI

OPREMA

ORGANIZACIJA

ENERGIJA

INFORMACIJE I

KOMUNIK. - ZNANJE

SIROVINE I

MATERIJALI

PROIZVODI

OTPAD (MATERIJALI)

INFORMACIJE

PROCESNI PROSTOR –

ŽIVOT I PROIZVODNJA

Holistički pristup i sinergija

•PODUZEĆE

•REGIJA

•DRŽAVA

•SVIJET

ŽIVOTNI CIKLUS PROIZVODA

"BEZ ENERGIJE SE NIŠTA NE

ZBIVA,

BEZ INFORMACIJA NIŠTA NEMA

SMISLA,

BEZ MATERIJALA NIŠTA NE

POSTOJI”

ŽIVOTNI CIKLUS SIROVINA I MATERIJALA

RAZLIKA: RESURSI I (ZALIHE) SIROVINA I

MATERIJALA

VRSTE SIROVINA ZA

PROIZVODNJU MATERIJALA

NEOBNOVLJIVE – vrlo dugo vrijeme

obnavljanja

– Za dobivanje: metalnih materijala, polimera,

keramike

OBNOVLJIVE – kratko vrijeme obnavljanja

– Za dobivanje npr. drvenih proizvoda

Utjecaji na stanje sirovina i materijala a) Broj stanovnika u svijetu ili u nekoj zemlji, stopa rasta i

udjeli pojedinih starosnih skupina.

Utjecaji na stanje sirovina i materijala

d) Društveni, politički i gospodarstveni odnosi - utjecaj

tržišta sirovina i materijala, politika kartela, prostorni

raspored izvora sirovina i preradbenih kapaciteta i sl.

b) Potrošnja materijalnih dobara – procjena preko

godišnjeg nacionalnog dohotka po stanovniku (GNP) – što

je veće blagostanje može se očekivati veća potrošnja;

Primjer: Kina

c) Poznate i potencijalne zalihe sirovina i stanje ponovno

iskoristivih proizvoda.

Zalihe i potrošnja metalnih sirovina u 1981. godini

Vrsta metala

Zalihe, 106 t Godišnja potrošnja, 106 t

Vrijeme iscrpljivanja bez recikliranja, god

Fe 93 600,00 500,00 187,20

Cr 3 543,00 9,16 368,60

Mn 1 835,00 21,07 87,06

V 15,80 0,02 572,46

Co 3,66 0,02 131,36

Ni 82,63 0,78 105,58

Mo 9,48 0,09 95,75

W 2,56 0,04 55,94

Cu 550,08 9,83 55,65

Pb 156,70 5,48 28,59

Sn 9,71 0,69 13,95

Zn 241,02 6,33 38,06

Pt 36,77 0,19 185,74

Mg 1 410,00 0,31 4 503,36

Al 6 000,00 16,01 374,59

udio u % Br. Zemlja

Cr Co Mn Mo Ni Ta Nb Ti V W Zr

1 KANADA 7,1 6,4 14,7 4,9 7,6 5,5 11,9

2 SAD 40,0 3,5 0,4 5,9 33,7

3 BRAZIL 0,3 2,0 1,6 75,8 4,8

4 ČILE 24,0 1,4

5 KUBA 13,8 21,5

6 PANAMA 3,4

7 PERU 4,6

8 NIGERIJA 11,0 2,8

9 ZAMBIJA I ZIMBABVE

19,7

10 SIERA LEONE 35,1 11 ZAIR 27,8 54,6 3,8

12 NJEMAČKA

13 FINSKA 1,2 1,2

14 INDIJA 0,5 3,6

15 INDONEZIJA 5,4 16 JUŽNA KOREJA 2,5

17 MALEZIJA 5,4

18 FILIPINI 0,4 2,4 6,6

19 ŠRI LANKA 5,5

20 TAJLAND 6,6 21 AUSTRALIJA 11,8 2,5 4,1 45,8 1,4 1,5 42,1

22 N. KALEDONIJA 15,8 22,7

23 SJ. KOREJA 6,2

24 BIVŠI SSSR 2,8 8,3 38,5 11,4 13,2 6,6 6,3 3,5 74,9 11,9 12,8

25 KINA 5,7 52,4 26 JUŽNOAFRIČKA

REPUBLIKA 73,9 43,6 1,2 18,7

UKUPNO 98,9 87,0 90,2 95,5 92,2 89,1 96,3 98,9 96,8 92,3 97,2

RASPODJELA POZNATIH ZALIHA SIROVINA NEKIH METALA

COLTAN

Mineral za dobivanje Ta i Nb

Ta je osnova za integrirane krugove

(kondenzatori) mobitela i sličnih uređaja

Visokotaljivi metal.

Kongo – ratovi i izrabljivanje domicilnog

stanovništva

Litij - baterije

RAZLOZI ZA OPTIMISTIČKE PROGNOZE:

broj stanovnika i potrošnja ne rastu eksponencijalno (primjer Kina);

pojavljuju se novi postupci za vađenje sirovina iz velikih dubina i iz podmorja;

geološka istraživanja u manje razvijenim zemljama ukazuju na nove izvore sirovina;

siromašniji izvori mogu se uspješno iskoristiti primjenom novih procesa;

nerentabilni izvori mogu prijeći u kategoriju iskoristivih zaliha ukoliko porastu cijene nekih sirovina – veća zainteresiranost za istraživanje izvora;

pojavljuju se novi materijali iz obnovljivih sirovina (drvo, kamen, biomaterijali i njihovi kompoziti);

sve je veći udio recikliranih materijala.