Lidija Ćurković: PODLOGE za 1. dio predavanja
Transcript of Lidija Ćurković: PODLOGE za 1. dio predavanja
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