Najveću primenu od svih tehničkih legura imaju legure na bazi
železa (Fe)
koje se dele
na čelike, gvožđa i ferolegure. Široka primena ovih legura (90% ukupne svetske
proizvodnje metalnih materijala), se zasniva uglavnom na sledećim činjenicama:
- rude železa se u velikim količinama nalaze u zemljinoj kori,
- legure železa se proizvode relativno jeftinim postupcima,
- postiže se dobra kombinacija različitih svojstava.
Osnovni elementi u svim vrstama čelika i gvožđa su železo (osnovna komponenta) i
ugljenik (legirajuća komponenta).
Železo je hemijski element oznake Fe. U Periodnom sistemu elemenata pripada grupi
prelaznih metala. Njegov atomski broj je 26, atomska masa 56, temperatura topljenja
1539 o C, a gustina 7,8 g/cm3 . Prema čistoći se razlikuje:
- Hemijski čisto železo (99,999% Fe) koje se dobija u laboratorijskim uslovima i nema
praktičnu primenu. - Tehnički čisto železo (99,8 – 99,9% Fe) koje pored železa sadrži i
primese: C, Mn, Si, S i P.
Osobine železa (gvožđa)
Gvožđe je hemijski vrlo reaktivno i kao
neplemeniti metal
rastvara se u
neoksidirajućim
kiselinama
. Na
vazduhu
je vrlo nestabilno i relativno brzo se
oksiduje
.
U elementarnom stanju čisto gvožđe je srebrnobeli, relativno mekan i kovan metal.
Takođe, ono je i feromagnetično, što znači da zadržava magnetska svojstva i nakon
prestanka delovanja magntskog polja.
Gvožđe je važno za život biljaka i životinja
Za dobivanje gvožđa danas se uglavnom koriste
oksidne
, a ređe
karbonatne
rude
.
Železo ima svojstvo polimorfije (alotropije) – u čvrstom stanju se javlja u dve alotropske
modifikacije: prostorno (α, δ) i površinski (γ) centrirane kubne rešetke.
Sirovo gvožđe
je zbog većeg sadržaja nečistoća i ugljenika, jako krto i nepodesno za
obradu ili primenu. Može se koristiti samo za livenje najgrubljih masivnih predmeta (npr.
postolja), koji nisu mehanički ili toplotno opterećeni. Da bi se dobilo kvalitetnije gvožđe
ili čelik, sirovo gvožđe se prerađuje.
Ugljenik
u strukturi čelika i gvožđa može da bude: vezan sa železom u vidu hemijskog
jedinjenja –
karbida železa
,
Fe
3
C
, koji se naziva
cementit
; u slobodnom obliku
kao
grafit
; intersticijski rastvoren u α-Fe i γ-Fe obrazujući
čvrste rastvore
.
Čelik
je legura železa I ugljenika sa sadržajem do 2,11%. Dobija se preradom sirovog
gvožđa. Prema hemijskom sastavu dele se na:
1. Ugljeničke –odlučujuću ulogu na osobine ima ugljenik
2. Legirane – pored ugljenika sadrže I namerno dodate legirane komponente radi
poboljšanja osobina. Postupci za dobijanje čelika su konvertorski, Simens-Martinov I
postupak u elektro peći. Bitna razlika između Simens-Martenovog postupka i pretapanja
u elek-tropećima, konvertorskog postupka ogleda se u načinu dobijanja toplote
potrebne za dobijanje čelika. Čelik dobijen u elektro pei ima najbolje osobine I čvrstoću.
Kada gledamo svetsku proizvodnju 90% je proizvodnje ugljeničnog čelika.
Livena gvožđa
su legure železa sa više od 2,0% ugljenika. Livena gvožđa imaju nisku
plastičnost i relativno malu otpornost prema udaru. Koriste se zbog dobrih svojstava
livenja, širokog opsega čvrstoće i tvr-doće, u većini slučajeva dobre obradivosti
rezanjem, i niske cene. Upotreba im je ograničena zbog male udarne žilavosti,zbog
male plastičnosti, osetljivosti na dinamičko opterećenje.Zbog niske cene ipak se našla
primena u inženjerskoj praksi.
Polimeri
su dugački lanci molekula, a nazivaju se i makromolekuli ili džinovski molekuli.
To su supstance nastale medjusobnim povezivanjem molekulskih jedinjenja
(monomera), koji se obično ponavlјaju po nekom pravilu, u velike molekule
(makromolekule). Nastaju u reakciji polimerizovanja, odnosno hemijskim povezivanjem
monomera.
1866. GODINE prvi put je upotrebljena reč POLIMER – molekul koji se sastoji iz mnogo
(grčki poli-mnogo) delova (grčki meros-deo).
Podela polimernih materijala s obzirom na poreklo
Prirodni – biopolimeri
-
Celuloza – prirodni makromolekul koji nastaje fotosintezom
-
Skrob – prirodni polusaharid
-
Keratin – dlaka, koža, rogovi, svila, vuna
-
Kaučuk – mlečni sok nekih biljaka
Polusintetski polimeri – hemijski modificirani biopolimeri – celluloid, acetatna svila
Organski sintentski polimeri – dobijeni hemijskom sintezom iz jednostavnih
organskih jedinjenja
Anorganski sintetski polimeri – dobijeni hemijskom sintezom iz jednostavnih
organskih I neorganskih jedinjenja
Podela polimera prema vrsti monomera u makromolekulu
Homopolimeri – sastavljeni samo iz jedne vrste monomera
Kopolimeri – nastali su povezivanjem dve ili vise vrsti monomera
Građe makromolekula
mogu biti linearne, granate, umrežene I mrežaste.
Svojstva i ponašanje metala i legura u proizvodnim procesima i u toku eksploatacije
zavise od sastava, strukture, načina prerade i termičke obrade kojoj mogu biti
podvrgnuti.
Termičkom obradom
nazivaju se procesi koji se sastoje od zagrevanja do kritičnih
temperatura,
držanjem na tim temperaturama određeno vreme, a zatim hlađenje određenim načinom
i brzinom.
Jedan od najrasprostranjenih primera poboljšanja svojstava je
termička obrada čelika.
Promena strukture i stvaranje novih faza u procesu termičke obrade čelika događa se u
čvrstom stanju, a bazira se na: svojstvu polimorfije železa, na promeni rastvorljivosti
ugljenika i legirajućih elemenata u rešetki železa i na sposobnosti atoma da se difuzno
sele na povišenim temperaturama.
Najvažnije termičke obrade
kojima se podvrgavaju čelici su: žarenje, kaljenje,
otpuštanje i poboljšanje.
Žarenje
- Žarenjem se nazivaju termičke obrade u kojima se čelik izlaže povišenim
temperaturama u dužem vremenskom periodu, a posle toga sporo hladi. Bilo koji proces
žarenja sastoji se iz tri faze: (1) zagrevanje do određenih temperatura, (2) držanje na
tim temperaturama određeno vreme i (3) sporo hlađenje do sobne temperature.
Difuzno žarenje (homogenizacija). Ovo žarenje se primenjuje za izjednačavanje
hemijske neujednačenosti metalnih zrna čvrstog rastvora, tj. za umanjenje
mikrosegregacije4 kod čeličnih odlivaka i šipki, i to uglavnom kod legiranih čelika.
Rekristalizaciono žarenje. Rekristalizacionom žarenju se podvrgavaju čelici koji su
obrađivani
deformisanjem u hladnom stanju i kod kojih je došlo do deformacionog ojačavanja, tj. do
povećavanja svojstava čvrstoće, a smanjenja plastičnosti.
Žarenje za uklanjanje zaostalih napona - Ovo žarenje se primenjuje u cilju uklanjanja
zaostalih napona.
Potpuno žarenje- Ovom vidu žarenja podvrgavaju se niskougljenični i srednjeugljenični
čelici
Meko žarenje - Srednjeugljenični i visokougljenični čelici u mikrostrukturi i ako sadrže
lamelarni perlit mogu i pored toga biti tvrdi i nepodesni za obradu rezanjem i
deformisanjem
Kaljenje
je proces kojim se čelik zagreva do temperatura nešto iznad kritične, a zatim
hladi brzinom
većom od kritične u cilju dobijanja martenzitne strukture, a time visoke tvrdoće i
otpornosti na habanje.
Sposobnost čelika da se kaljenjem dobijeni sloj martenzitne ili martenzitno–trustitne
strukture prostire
do određene dubine naziva se prokaljivost
Otpuštanje
- Otpuštanje ima za cilj smanjenje ili potpuno uklanjanje unutrašnjih
napona, smanjivanje krtosti kaljenog čelika i dobijanje željenih struktura i mehaničkih
svojstava. U zavisnosti od temperature zagrevanja razlikuju se tri vida otpuštanja: nisko,
srednje i visoko.
Poboljšanje
- Kombinovani postupak termičke obrade čelika, koji se sastoji iz kaljenja i
visokog otpuštanja, koji ima za cilj postizanje visoke vrednosti napona tečenja i visoke
vrednosti žilavosti naziva se poboljšanje.
Termomehanička obrada
- Proces termičke obrade kojim se čelik zagreva do
temperatura iznad tačke AC3, drži na toj temperaturi određeno vreme, a zatim dobijeni
austenit plastično deformiše za određen stepen deformacije i kasnije hladi kritičnom
brzinom u cilju dobijanja martenzitne strukture, naziva se termomehanička obrada.
Površinsko kaljenje
- Ovim načinom kali se samo površinski sloj, dok jezgro
mašinskog dela zadržava svoju polaznu strukturu. Osnovna namena površinskog
kaljenja je povećanje: površinske tvrdoće, otpornosti na habanje, otpornosti na koroziju i
dinamičke čvrstoće.
Usled nepravilno primenjene tehnologije termičke obrade čelika na delovima mogu
nastati
različite greške
kao što su: nedovoljno zagrevanje, pregrevanje, pregorevanje,
razugljenisavanje, prsline i deformacije.
Nedovoljno zagrevanje
- Nedovoljno zagrevanje nastaje u slučaju ako se čelik zagreje
do temperatura koje su niže od potrebnih
Pregrevanje
- Do pregrevanja dolazi u slučaju ako se čelik zagreva do temperatura koje
su mnogo više
od potrebnih temperature
Pregorevanje- Pregorevanje nastaje u slučaju kada se čelik zagreva do temperatura
koje su bliske temperaturi topljenja.
Oksidacija i razugljenisavanje
- Oksidacija i razugljenisavanje čelika u procesu
zagrevanja dolazi kao posledica uzajamnog dejstva njegove površine sa gasovima koji
se nalaze u atmosferi peći (kiseonik, vodonik).
Prsline
-U procesu termičke obrade prsline se obrazuju pri suviše velikim brzinama
hlađenja ili zagrevanja
Deformacije
- Deformacije (izmena dimenzija i oblika), koje nastaju na delovima pri
termičkoj obradi, jesu rezultat termičkih i strukturnih napona koji se javljaju u čeliku
usled neravnomernog hlađenja i faznih transformacija.
Za ispitivanje zatezanjem potrebno je:
Uzorak – epruveta za ispitivanje,
