SVOJSTVA I KARAKTERISTIKE MATERIJALA

Prof.dr.sc. Tomislav Filetin, FSB, ZagrebIZBOR MATERIJALA (3+3), 2010

METODE ODLUČIVANJA PRI IM

B. FAKTOR VAŽNOSTI - TEŽINSKI FAKTOR

relativna važnost zahtjeva u odnosu na ostale 0-1 ili 0-100

LISTA (MATRICA) ZAHTJEVA

Svakom zahtjevu može se pridružiti: A. VRSTA

1. NEMINOVNO ISPUNJIVI - CILJNI (invarijantni) 2. MINIMALNI, MAKSIMALNI - varijantni

3. ŽELJE - varijantni

C. NAČIN KVANTIFIKACIJE SVOJSTAVA

PROCJENA - kvalitativno

KVANTITATIVNO - brojčano i sl.

Određenost svojstava i ponašanja materijala

IZVORI PODATAKA I MOGUĆI FOND ZNANJA O SVOJSTVIMA

podaci o sastavu materijala, podaci o mikrostrukturi i stereološki parametri mikrostrukture

materijala, podaci dobiveni normiranim ispitivanjima epruveta, podaci dobiveni dogovorenim ispitivanjima epruveta, podaci za svojstva dobiveni ispitivanjima modela i prototipa

proizvoda, podaci dobiveni praćenjem materijala u proizvodnji, podaci dobiveni ispitivanjima i praćenjem proizvoda u uporabi

(eksploataciji), podaci dobiveni praćenjem tijekom regeneracije ili recikliranja

materijala.

Laboratorijska ispitivanja Ponašanje u proizvodnji i uporabi

PODACI

set korelacija podataka pomoću teorijskih modela

INFORMACIJE

ZNANJE

klasifikacija informacija razmatrajući teorijske modele i iskustva iz korištenja informacija

Literatura

Primjena podataka predviđanja kod nepoznatih činjenica i slučajeva

Može se upotpunitifond podataka kod poznatih činjenica i slučajeva

1. SASTAV I MIKROSTRUKTURA MATERIJALA - kemijski sastav - kemijska struktura - mikrostrukturne karakteristike - makrostrukturne karakteristike 2. FIZIKALNA SVOJSTVA - opća: gustoća, talište, viskoznost... - električna: električna vodljivost, električni otpor, dielektrična konstanta... - magnetska - toplinska, termodinamička: topl. vodljivost, topl. rastezljivost, spec. toplinski

kapacitet, emisivnost, otpornost na gorenje... - optička: indeks loma, prozirnost, reflektivnost... - akustična: prigušenje zvuka - nuklearna: vrijeme poluraspada, stabilnost... 3. MEHANIČKA SVOJSTVA - opća: modul elastičnosti, modul smičnosti, Poissonov omjer, lomna žilavost... - svojstva dobivena ispitivanjem uz statičko kratkotrajno opterećenje (vlak, tlak, savijanje,

torzija): granica tečenja, čvrstoća, istezljivost, suženje poprečnog presjeka... - tvrdoća - svojstva dobivena ispitivanjem uz promjenjivo opterećenje (vlak-tlak, savijanje, torzija):

vremenska dinamička izdržljivost, dinamička izdržljivost - svojstva dobivena ispitivanjem uz udarno opterećenje: udarni rad loma (Charpy, Izod),

prijelazna temperatura... - svojstva puzanja i relaksacije: granica puzanja, statička izdržlj. 4. OTPORNOST NA KEMIJSKE, FIZIKALNE I BIOLOŠKE UTJECAJE - otpornost na medije i tvari u dodiru: otpornost na opću koroziju, interkristalnu koroziju,

napetosnu koroziju, vodikovu krhkost, intenzivnu oksidaciju... - otpornost na žive organizmime – biološka otpornost - otpornost na UV svjetlo, zračenje - uništivost kemijskim, fizikalnim ili biološkim djelovanjima 5. OTPORNOST NA TROŠENJE – TRIBOLOŠKA SVOJSTVA - otpornost na adheziju - otpornost na abraziju (eroziju, kavitaciju) - otpornost na umor površine - otpornost na tribokemijsko trošenje 6. PROIZVODNA SVOJSTVA - livljivost - oblikovljivost deformiranjem – kovkost - gnječivost - obradljivost odvajanjem čestica – rezljivost - zavarljivost - prikladnost za lijepljenje - mogućnost zaštite površine - toplinska obradljivost 7. TRŽIŠNE KARAKTERISTIKE MATERIJALA I POLUPROIZVODA - komercijalne i standardne oznake i nazivi materijala - stanja, oblici, dimenzije, tolerancije - uvjeti i troškovi nabave - cijena materijala

SVOJSTVA I KARAKTERISTIKEMATERIJALA

PORIJEKLO PODATAKA

dopustive/konstrukcijske vrijednosti, prosječne/tipične vrijednosti, izračunate vrijednosti, literaturna kompilacija podataka, podaci proizvođača, iskustva iz primjene, izravni rezultati ispitivanja, podaci iz normi za materijale.

NAMJENA KORIŠTENJA PODATAKA O SVOJSTVIMA

svojstva koja služe ponajprije za proračune, provjere naprezanja i dimenzioniranje dijelova;

svojstva koja isključivo služe za usporedbu materijala i optimiranje pri izboru;

svojstva koja u pravilu služe samo kao opće informacije onekom materijalu.

1. OPISNA KARAKTERIZACIJA

Općenit je i najneprecizniji oblik kvantifikacije. Svojstva se često izražavaju riječima ili ocjenama.Za teško mjerljiva svojstva, kao što su tehnološka, otpornost koroziji i otpornost trošenju.

Ocjene se najčešće iskazuju riječima ili brojevima kao npr.: izvrstan ili posebno prikladan ocjena 5, vrlo dobar ili vrlo prikladan ocjena 4, dobar ili prikladan ocjena 3, dovoljan ili uvjetno prikladan ocjena 2, nedovoljan ili neprikladan ocjena 1 ili 0.

Ove su ocjene često vrlo subjektivne i niže pouzdanosti.

OBLICI KVANTITATIVNOG ISKAZIVANJA SVOJSTAVA

2. PRIKAZI SVOJSTAVA I PONAŠANJA MATERIJALA FUNKCIJAMA, DIJAGRAMIMA I SLIKAMA

Najviše informacija o ponašanju materijala.Višeznačna karakterizacija. Tipični slučajevi za takva prikazivanja jesu: dijagrami "naprezanje deformacija", dijagrami puzanja, prikazi trošenja i korozije u vremenu itd.

Re = 53,9 + 32,34(%Mn) + 83,2(%Si) + 354,2(%Ns) + 17,4(d-1/2)

Rm = 294,1 + 27,7(%Mn) + 83,2(%Si) + 3,9(%P) + 7,7(d-1/2)

p = 19 + 44(%Si) + 700(%Ns

1/2) + 2,2 (%P)11,5(d-1/2) gdje je: Ns – sadržaj slobodnog dušika, % d – veličina zrna, mm P – udio perlita, % p prijelazna temperatura žilavosti, C.

Regresijske jednadžbe:

Rm = 42,3 + 3,6HB (za feritno-perlitne čelike u normaliziranom stanju)

HRC = 20 + 60%C (u kaljenom stanju 100 % martenzita; 0,1...0,6 %C),

ili za poboljšane čelike:

Rds = (0,25+0,0045Z)Rm

Rp0,2 = (0,8+0,1S)Rm+170S–200

A5 = 46–(0,040,012S)Rm

Z = 96–(0,0620,029S)Rm

KU = 0,7(460(0,590,29S)Rm)

gdje je S stupanj prokaljenosti (zakaljenosti) g

g maks

HS

H

3. JEDNOZNAČNE (POJEDINAČNE) MJERENE VELIČINE I POKAZATELJI

ERe, Rp0,2RmA5ZKV, KURdRp/t/TRm/t/T

4. KOMBINACIJE SVOJSTAVA I KARAKTERISTIKAtzv. Parametri ili funkcije vrednovanja materijala

Re/Rm, Rp0,2/Rm osjetljivost na urezno djelovanje ili sposobnost podnošenja preopterećenja

Rp0,2KIC otpornost na propagaciju pukotineRmA otpornost na krhki lomE/ min. masa uz maks. krutost (za savojno opterećenu gredu)E/2 min. masa uz konst. progib (savojno opter. za kružni presjek)E/(c)2 min. cijena uz konstantan progibRm

2/(2E) – otpornost na eroziju kapljevinomRp0,2 (Rm)/ otpornost ploče na centrifugalne sileE/ otpornost na vibracije/E + E/ ponašanje u rezonanciji((1 2)2/E2)Rp0,2

3 otpornost na površinske pritiske/ ili /(Cp) otpornost na toplinske dilatacijeE/ min. masa uz konst. otpornost pri promjenama temperatura((1+(E/)+(1 )(1+)/)/E))Rp0,2 maks. čvrstoća uz sposobnost

podnošenja TRm/(E) otpornost na toplinski šok.

Način

opterećenja Vrsta

opterećenja

Temperatura Kritično

ponašanje ST P U VL TL T N S V

Svojstvo

krhki lom X X X X X X p, KU, KV, KIC duktilni (žilavi) lom

X X X X X Re (Rp0,2) smično, Rm

umor (visokociklički)

X X X X X X Rd/N, Rd

umor (niskociklički)

X X X X X X duktilnost (A, Z)

korozijski umor X X X X X elektropotencijal, Rd u koroz. mediju

izvijanje X X X X X X E, Re plastična deformacija

X X X X X X X Re

puzanje X X X X X Rp1/t/ , Rm/t/ , RDVM krhkost izazvana lužinama i vodikom

X X X X vrijeme do loma, meh. otpornost u tim uvjetima

napetosna korozija

X X X X X KISCC

toplinski umor X X X X X Oznake: VL - vlak, TL - tlak, T - uvijanje (torzija); V - visoka, S - srednja, N - niska; ST - statičko, P - promjenjivo, U - udarno

PRIDRUŽIVANJE SVOJSTAVA MATERIJALA KRITIČNIM PONAŠANJIMA

POKAZATELJI VREDNOVANJA MATERIJALA

Minimum troška

Minimalnamasa

Maksimalnapohrana energije

Minimalan utjecaj na okoliš

FUNKCIJA

CILJEVI

OGRANIČENJA

INDEKS

Šipka

Greda

Vratilo

Cijev

Mehanička,Toplinska,

Električna...

Određena krutost

Određena čvrstoća

Din. izdržljivost

Određena geometrija

2/1EM

Minimirati!

Svaka kombinacija- Funkcije- Ciljeva- Ograničenja- Slobodnih varijabli

daje karakterističanpokazatelj vrednovanja materijala

Funkcija Krutost Čvrstoća

Vlak (šipka)

Savijanje (greda)

Savijanje (ploča)

Cijena materijala, Cm

Gustoća,

Modul elast. E

Granica razvlačenja, Re

Dinamička izdržljivost, Rd

Toplinska vodljivost,

Toplinska rastezljivost

Svojstva materijala Pokazatelji vrednovanja

ρ/Eeρ/R

1/2ρ/E 2/3eρ/R

Cilj: minimirati masu

Minimirati

1/3ρ/Ee1/2ρ/R

Funkcija i ograničenjaa) Pokazatelj krutosti; čvrstoće maks.b) Vlačno opterećen puni profil (npr. spojnica) - krutost i duljina određeni; slobodna ploština presjeka E / ; Rf / Torzijski opterećeno vratilo - krutost(opterećenje), duljina i oblik određeni; slobodna ploština presjeka G1/2/ ; Rf

2/3/ - krutost (opterećenje), duljina, vanjski radijus određeni; debljina stijenke slobodna G/ ; Rf / - krutost (opterećenje), duljina, debljina stijenke određeni; slobodan vanjski radijus G1/3/ ; Rf

1/2/

POKAZATELJI VREDNOVANJA S OBZIROM NA ČVRSTOĆU I KRUTOST UZ MIN. MASU (TROŠKOVE, ENERGIJU)

Savojno opterećena greda - krutost (opterećenje), duljina, oblik presjeka određeni; slobodna ploština presjeka E1/2/ ; Rf

2/3/ - krutost (opterećenje), duljina, visina presjeka određeni; slobodna širina presjeka E / ;Rf / - krutost (opterećenje), duljina, širina presjeka određeni; slobodna visina presjeka E1/3/ ; Rf

1/2/ Pritisno opterećen šuplji profil – daleko od granice izvijanja - krutost (opterećenje) i duljina određeni; slobodna ploština presjeka E / ; Rf / Pritisno opterećen šuplji profil – opasnost od elastičnog izvijanja - opterećenje izvijanja, duljina, oblik presjeka određeni, E1/2/

Funkcija i ograničenja Pokazatelj maks.a) Toplinski izolatori - min. toplinski tok u krutom materijalu; definirana debljina 1/ - min. povišenje temperature u definiranom vremenu; definirana debljina 1/a = Cp/ - min. ukupna apsorbirana energija u toplinskom ciklusu (npr. peć) a/ = 1/Cp Toplinski spremnici - maks. pohranjena energija po jedinici cijene materijala Cp/Cm - maks. pohranjena energija za definirani porast temperature i vremena /a = Cp Precizni instrumenti - min. toplinska deformacija za definirani toplinski tok / Otpornost na toplinski šok - maks. promjena površinske temperature, bez oštećenja Rf/E Toplinsko skupljanje (engl. heat sinks) - maks. toplinski tok po volumenu; ograničena ekspanzija / - maks. toplinski tok po masi; ograničena ekspanzija / Izmjenjivači topline - maks. toplinski tok po jedinici ploštine; bez oštećenja pod djelovanjem p Rf - maks. toplinski tok po masi; bez oštećenja pod djelovanjem p Rf/

Pokazatelji vrednovanja – toplinski utjecaji

Optimiranje izbora pomoću karti svojstava

Indeks1/2EρM

22 M/ρE

2 2log E log log M

CE

C

E 2/1

CE 3/1

0.1

10

1

100

Metali

Polimeri

Elastomeri

Drvo

Kompoziti

Pjene0.01

1000

1000.1 1 10Gustoća, Mg/m3

Mod

ulE

, GP

a

Keramike

12 3

Unit 2, Frame 2.13

NAČINI I METODE ODLUČIVANJA

2. FORMALIZIRANO - KVANTITATIVNE METODE

potrebni su brojčani, usporedivi podaci za svojstva materijala

1. NEFORMALIZIRANO

znanje, iskustvo, procjene prednosti i nedostataka

materijala, intuicija..

NAČINI ODLUČIVANJA

2. Prekrivanje polja tolerantnih vrijednosti taj je način usporedbe prikladan za varijantne zahtjeve.

1. Zadovoljenje neke minimalne ili maksimalne tražene vrijednosti, ili eliminacija preko nul-zahtjeva (kao što su npr. cijena, masa, vrijeme nabave, toplinska vodljivost...) uglavnom se odnosi na invarijantne zahtjeve.

c) skup materijala koji potpuno ili djelomično ispunjava osnovne zahtjeve. Takav rezultat je u praksi najčešći, te se traži optimalno rješenje s pomoću:

3. Minimiranja ili maksimiranja vrijednosti unaprijed definirane

funkcije cilja ili tzv. pokazatelja vrednovanja

Rezultati provedenih usporedbi mogu se predočiti s tri moguća izlaza:

a) ni jedan materijal potpuno ne ispunjava zahtjeve (najnepovoljniji slučaj ponovno se analiziraju zahtjevi ili se razvijaju novi materijali i proizvodni postupci);

b) jedan materijal potpuno ispunjava sve zahtjeve (mala vjerojatnost);

PRIKAZ RAZLIČITIH FUNKCIJA CILJA ZA IM

Oznake:

Xi - postojeće svojstvo materijala j, Yi - zahtjevano svojsto, Cj - cijena materijala (troškovi), Cz - pojedinačne cijene i troškovi, Crj - relativne cijene materijala, Bi - faktor važnosti za pojedino svojstvo, Bi,q - faktor važnosti za skupinu svojstava, n - broj zahtjevanih karakteristika.

RAČUNANJE PARAMETRA VREDNOVANJA - FUNKCIJE CILJA

OCJENE ZA SVOJSTVA, Oi ZAHTJEVI A B C

Faktor važnosti, Bi

Zavarljivost 5 1 3 0,15 Vlačna čvrstoća, Rm

3 5 2 0,15

Dinamička izdržlj., Rd

5 3 3 0,25

Otpor. koroziji

3 5 3 0,20

Cijena (5 - najniža)

2 5 3 0,25

Zavarena, statički i dinamički opterećena konstrukcija u industrijskoj atmosferi.Tri predviđena materijala: A, B i C

5

j i ii=1

F B O maks. FA = 5·0,15+ 3·0,15+ 5·0,25+ 3·0,2+2·0,25=3,55FB = 4,25 → OPTIMALANFC = 2,85

Relativno jednostavna metoda ali svojstva moraju biti ocijenjena

Drugi redoslijed materijala ako se promijeni Bi

A. Algebarski pristup Materijali se uspoređuju na temelju apsolutne vrijednosti sumeodstupanja svojstava od traženih (zahtijevanih).

ni

j ii=1 i

XF B - 1 minY

gdje je: Fj funkcija cilja Xi vrijednost svojstva materijala Yi vrijednost zahtijevanog svojstva n broj svojstava j broj materijala Bi faktor važnosti za svaki zahtjev.

METODA NAJMANJIH ODSTUPANJA SVOJSTAVA OD TRAŽENIH

a) sličnost površine poligona svojstava u odnosu na "idealni" zahtijevani;

b) sličnost oblika poligona kandidatnogi idealnog materijala;

c) subjektivna procjena važnosti odstupanjasvojstava od traženih svojstava.

B. Geometrijski pristup

ad b) Sličnost oblika poligona svojstava (Oj) Oblici se uspoređuju na temelju izraza:

2

ij

i=1 i

XO = PY

n

Što je Oj bliži 1, to je i oblik poligona X pojedinog materijala sličniji obliku traženog poligona Y. Kriterij izbora je minimalna vrijednost za Fj, koja predstavlja udaljenost na zamišljenomdijagramu koji bi imao koordinate Pj i Oj:

2 2j j jF (1 - P) + O

ad a) Sličnost površina poligona (Pj)

Višedimenzionalni problem može se svesti na dvodimenzionalni izrazom:m

ii

i = 1 ij n

ii = 1

XBYP =

B

Što je vrijednost Pj za pojedini materijal bliže 1, to je veličina njegova poligona svojstava bliže veličini poligona "idealnog" materijala.

n

i v ir i=1

B SVM = = maks.

C ρ C ρ

METODA UTJECAJNOSTI SVOJSTAVA

PARAMETAR VREDNOVANJA

U slučaju kada je najniža vrijednost svojstva najbolja, tj. 100, izraz za skaliranu vrijednost Svi glasi:

v iminimum vrijednosti u listiS = 100brojčana vrijednost svojstva

dok u slučajevima kada se od svojstva traži maksimum vrijednosti izraz glasi:

v ibrojčana vrijednost svojstvaS = 100maksimalna vrijednosti u listi

NORMALIZACIJA VRIJEDNOSTI

PRIMJERI IZBORA MATERIJALA

SPREMNIK TEKUĆEG DUŠIKA

TRAŽENA SVOJSTVA

Materijal mora biti otporan na krhki lom, dovoljno čvrst i krut.

Žilavost (Iz) pri temperaturi od oko −196 C , Granica razvlačenja (Re) Modul elastičnosti (E) pri radnoj temperaturi.

Manji specifični toplinski kapacitet (Cp) i što manja toplinska vodljivost () smanjuju gubitke toplinske energije.

Niža toplinska rastezljivost () smanjuje toplinska naprezanja.

ZAHTJEVINužni (invarijantni) zahtjev je da pri temperaturi od oko −196 C ne postoji opasnost od krhkog loma.

Isključuju se svi nelegirani i niskolegirani čelici s BCC rešetkom kao i polimerni materijali.

Metali s FCC rešetkom, kao npr. austenitni čelici, Cu-legure, Al-legure i Ti-legure svakako ulaze u daljnje razmatranje.

Drugi po važnosti zahtjev je mogućnost zavarivanja ili spajanja (metalni materijali).

Eliminacijski kriterij: mogućnost nabave definirane debljine i dimenzija lima.

Svoj.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

Pozitivne odluke

Faktor važnosti

Iz 1 1 1 1 1 1 6 0,28 (6/21)

Re 0 1 0 0 1 1 3 0,14

E 0 0 0 0 0 1 1 0,05

0 1 1 1 1 1 5 0,24

0 1 1 0 1 1 4 0,19

0 0 1 0 0 0 1 0,05

Cp 0 0 0 0 0 1 1 0,05

Ukup. 21 1,00

DIGITALNO-LOGIČKA METODA ZA UTVRĐIVANJE FAKTORA VAŽNOSTI

Svojstva pri – 196 C 1 2 3 4 5 6 7 Materijal Iz

1) Re N/mm2

E kN/mm2

kg/m3

10-6 K-1

W/mK

Cp J/kgK

AlCu4SiMn – topl. očvrsnuta 75 495 74 2800 21,4 155 670 AlMg2,5 – meko stanje 95 110 70 2700 22,1 138 670 X2CrNiN18-10 – gašeno 265 685 190 7900 16,0 16,0 335 X2CrNiMoN18-12 – gašeno 240 785 190 7900 16,0 16,0 335 X8Ni9 - poboljšan 119 695 190 7850 17,0 17,5 335 X10CrNiNb18-10 – gašeno 182 275 190 7900 16,5 17,0 335 TiAl6V4 – topl. očvrsnuta 150 1400 112 4430 9,4 6,7 377 Inconel 718 2) 240 1580 217 8530 11,5 130 293

1) pokazatelj žilavosti, Iz = (Rm maks + Re) (A/2), pri čemu je: A – istezljivost Vrijednosti za toplinsku rastezljivost i specifični toplinski kapacitet prosječne su za temperaturni interval između normalne temperature i 196 C. 2) 50-55 %Ni; 17-21 %Cr; 4,75-5,5 %Nb; 2,8-3,3 %Mo; 0,65-1,15 %Ti

MATERIJALI I NJIHOVA SVOJSTVA

Skalirana svojstva Vr Vrsta materijala 1 2 3 4 5 6 7

AlCu4SiMn – topl. očvrsnuto 28 31 34 96 44 4,3 44 47,8 AlMg2,5 – meko stanje 36 7 32 100 43 4,8 44 47,3 X2CrNiN18-10 – gašeno 100 43 86 34 59 42 87 64,1 X2CrNiMoN18-12 – gašeno 90 50 86 34 59 42 87 62,3 X8Ni9 - poboljšano 45 44 86 33 55 38 87 47,7 X10CrNiNb18-10 – gašeno 69 17 86 34 57 39 87 51,3 TiAl6V4 – topl. očvrsnuto 57 88 52 61 100 100 78 73,4 Inconel 718 90 100 100 31 82 5,2 100 72,5

MATERIJALI I NJIHOVA SKALIRANA SVOJSTVA

Vrsta materijala Ic 1)

C’ 2) Vr M = Vr/C’

AlCu4SiMn – topl. očvrsnuto 1 5,65 47,8 8,46 X2CrNiMoN18-12 – gašeno 1,6 16,1 62,3 3,87 X2CrNiN18-10 – gašeno 1,5 17,3 64,1 3,71 TiAl6V4 – topl. očvrsnuto 6,3 19,9 73,4 3,68 X8Ni9 - poboljšano 1,3 14,7 47,7 3,25 Inconel 718 5 27,0 72,5 2,68 AlMg2,5 – meko stanje 1,05 25,8 47,3 1,83 X10CrNiNb18-10 – gašeno 1,6 46,0 51,3 1,11

1) Ic – relativni trošak uključuje cijenu sirovog materijala i proizvodnje, a računa se prema AlCu4SiMn (Ic = 1); 2) C’ = Ic/Re

PARAMETARI VREDNOVANJA ZA MATERIJALE

d c cn n nji k

i j ii j ki=1 j=1 k=1d cg

XY YM = B B B 1 min.

X Y X

gdje se:

d, g i c odnose na donju, gornju i ciljanu vrijednost promatranog zahtjeva (svojstva):nd, ng, nc ...označava broj donjih, gornjih i ciljanih vrijednosti svojstava;Bi, Bj, Bk ...su faktori važnosti za donju, gornju i ciljanu vrijednost svojstava;Xi, Xj, Xk ...su donje, gornje i ciljane vrijednosti za razmatrana svojstva materijala;Yi, Yj, Yk ...su specificirane donje, gornje i ciljane vrijednosti svojstava.

METODA GRANIČNIH VRIJEDNOSTI

Parametar vrednovanja:

PRIMJER IZBORA MATERIJALA ZA KLIZNI LEŽAJ

VIŠESLOJNI KLIZNI LEŽAJ

potporna ljuska od čelika

međusloj od bronce

sloj nikla

klizni sloj od bijele kovine

STRUKTURA LEŽAJNOG MATERIJALA

KLIZNI LEŽAJ CENTRIFUGALNE PUMPE

UVJETI RADA:

radijalna sila na osovinu, F = 7500 N n = 1000 min-1

d = 80 mm

ANALIZA ZAHTJEVA:

1. Priroda i veličina opterećenja - bitna je tlačna čvrstoća.

2. Prilagodljivost - elastične i plastične deformacije ležajnog materijala: prilagođavanje promjenama oblika.

3. Ugibljivost tvrdih izbočina u mekoj masi (čime te izbočine ne stvaraju brazde na drugoj površini), te imati sposobnost ugradnje nečistoća iz maziva.

4. Otpornost trošenju - ovisi o materijalu rukavca, mazivu, hrapavosti površine i čistoći radnog medija.

5. Neosjetljivost na zaribavanje objedinjuje: toplinsku vodljivost - što bolja u uvjetima velikih brzina vrtnje kompatibilnost kliznog materijala s materijalom rukavca toplinsku rastezljivost - što manja

6. Korozijska postojanost, otpornost na elektrokoroziju i kavitaciju

7. Mogućnost klizanja pri nepovoljnom podmazivanju

8. Mogućnost omrežavanja mazivom - prionjivost

9. Cijena

TRAŽENA SVOJSTVA

1. Tlačna čvrstoća pri radnoj temperaturi je donja granična vrijednost, dakle, konstrukcijom ležaja određuje se min. tlačna čvrstoća:

Rmt = t s gdje je: s faktor sigurnosti = 2.

Iz proračuna proizlazi: Rmt = 0,932 = 1,86 N/mm2.Kako nisu dostupni podaci o čvrstoći ležajnih materijala pri 120 C, uzima se minimalna vrijednost tlačne čvrstoće pri 20 C, koja za većinu ležajnih materijala iznosi 20 N/mm2.

2. Dinamička izdržljivost (Rd) na radnoj temp. je donje granično svojstvo. Nije glavni kriterij pa se uzima jednaka vrijednost kao i za tlačnu čvrstoću,tj. 20 N/mm2.

3. Tvrdoća (HB) je gornje granično svojstvo čija maks. vrijednost ovisi o tvrdoći rukavca; Maksimalna dopuštena tvrdoća 100 HB.

4. Modul elastičnosti (E) je gornje granično svojstvo; maksimalna dopuštena vrijednost 00 kN/mm2.

5. Otpornost trošenju (OT) - donje granično svojstvo; ocjene 1 do 5

6. Korozijska postojanost (KP) - donje granično svojstvo; ocjene 1 do 5

7. Toplinska vodljivost ( ) - donje granično svojstvo – min. 20 W/mK

8. Cijena (Ic) - gornje ograničenje. Maks. cijena bit će cijena najskupljeg materijala – legure na bazi kositra. Za usporedbu materijala služi relativni indeks cijene.

LEŽAJNI MATERIJALI

1. tradicionalne dvofazne legure, npr. bijele kovine i bronce2. dvofazne legure kod kojih jedna faza može služiti kao mazivo u

ekstremnim uvjetima, npr. olovna bronca i legure aluminija s kositrom3. monofazni materijali, npr. polimerni materijali4. porozni samopodmazujući sinterirani materijali5. keramički materijali.

1. Cu-Sn i Cu-Sn-P legure (kositrena i fosforova bronca),2. Cu-Sn-Zn-Pb (crveni lijev),3. Cu-Al legure (aluminijeva bronca),4. Sn-Pb-Sb-Cu legure (bijele kovine),5. Sivi i nodularni lijev.

TRADICIONALNE DVOFAZNE LEGURE

1. Cu-Pb (olovna bronca),2. Cu-Pb-Sn (olovno-kositrena bronca),3. Al-Sn legure.

DVOFAZNE LEGURE S MOGUĆNOŠĆU PODMAZIVANJA

POLIMERNI MATERIJALI

- PA – POLIAMIDI (Nylon)- PTFE (Teflon)- Ojačani česticama bronceNepodmazivani ležaji

- vrlo niske ili vrlo visoke radne temperaturei/ili u korozijski ekstremno agresivnoj okolini.

- Al2O3, ZrO2 ili Si3N4 te grafit. - keramički slojevi - npr. TiN.

KERAMIČKI MATERIJALI

Legura Sn Sb Pb Cu Fe Zn Al Ostalo Bijele kovine na bazi Sn (ASTM B23): 1 91 4,5 0,35 4,5 0,08 0,005 0,005 0,08 Bi i

0,1As 2 89 7,5 0,35 3,5 0,08 0,005 0,005 0,08 Bi i 0,1

As 4 75 12 10 3,0 0,08 0,005 0,005 0,15 As Bijele kovine na bazi Pb (ASTM 23): 6 20 15 63,5 1,5 0,08 - - 0,15 As 8 5 15 80 0,5 - - - 0,2 As 11 - 15 Ost. 0,5 - - - 0,25 As Cu-legure SAE (Cu-Pb): 48 0,25 - 28 ost. 0,35 0,1 - 1,5 Ag i

0,025 P 480 0,5 - 35 ost. 0,35 - - 1,5 Ag Cu-legure ASTM B22 (bronca): B 16 - 0,25 ost. 0,25 0,25 - 1 P C 10 - 10 ost 0,15 0,75 - 0,1 P i

1 Ni Al-legure (Al-Sn): 780 6 - - 1 0,7 - ost. 0,5 Ni i 1,5 SiMB7 7 - - 1 0,6 - ost. 1,7 Ni i 0,6 Si

Kemijski sastav predloženih ležajnih legura (maseni %)

Vrsta legure

Re N/mm2

Rd N/mm2

HB KP OT W/mK

E kN/mm2

Ic

Bijele kovine na bazi Sn (ASTM B23): 1 30 27 17 5 2 50,2 51 7,3 2 42,7 34 25 5 2 50,2 53 7,3 4 38,9 31 25 5 2 50,2 53 7,3 Bijele kovine na bazi Pb (ASTM 23): 6 26,6 22 21 4 3 23,8 29,4 1,3 8 23,8 27 20 4 3 23,9 29,4 1,1 11 21,4 22 15 4 3 23,9 29,4 1 Cu-legure SAE (Cu-Pb): 48 40 45 28 3 5 41,8 75 1,5 480 38 42 26 3 5 41,8 75 1,5 Cu-legure ASTM B22 (bronca): B 126 100 100 2 5 41,8 95 1,8 C 119 90 65 2 3 42 77 1,6 Al-legure: 780 158 135 68 3 2 167 73 1,5 MB7 193 170 73 3 2 167 74 1,5

SVOJSTVA LEŽAJNIH LEGURA

ZAHTJEVANE VRIJEDNOSTI I FAKTORI VAŽNOSTI

1,028UKUPNOIc < 7,50,082cijenamaks. 100 kN/mm20,082modul elastičnostimin. 20 W/mK0,206toplinska vodljivostmin. ocjena 20,113otpornost trošenjumin. ocjena 20,113postojanost na korozijumaks. 100 HB 0,082tvrdoća min. 20 N/mm20,144dinamička izdržljivostmin. 20 N/mm20,206granica tečenja

Tražene vrijednostiFaktor važnosti, Bi

Pozitivne odluke

Svojstvo

Pokazatelj vrednovanja, M

Poredak

Bijele kovine na bazi Sn (ASTM B23): 1 0,59 7 2 0,54 5 4 0,56 6 Bijele kovine na bazi Pb (ASTM 23): 6 0,63 9 8 0,62 8 11 0,66 10 Cu-legure SAE (Cu-Pb): 48 0,47 3 480 0,49 4 Cu-legure ASTM B22 (bronca): B 0,49 4 C 0,49 4 Al-legure: 780 0,38 2 MB7 0,37 1

Pokazatelji vrednovanja M za ležajne legure i izbor optimalne legure

PROTEZA UMJETNOG KUKA – FEMURALNI DIO

IZGLED PROTEZE UMJETNOG KUKA – FEMURALNI DIO

PE-VGPTFE

KONSTRUKCIJSKE IZVEDBE

Metalni Keramički

ZAHTJEVI NA SVOJSTVA MATERIJALA

1. Prihvatljivost tkiva (PT) – ukazuje na rizik od odbacivanja nadomjestka. Ocjene predizabranih materijala varirat će od 1 (najlošiji mat.) do 10 za najbolji. Donja granica iznosi 7.

2. Otpornost na koroziju (OK) je važan zahtjev, jer su tjelesne tekućine vodene otopine soli.Korozija je štetna jer u kombinaciji s utjecajem izmjeničnog opterećenja može dovesti do loma. Ocjene se također kreću od 1 do 10, a prihvaćaju se materijali s ocjenom 7.

3. Žilavost (K) ocjenjuje se od 1 do 10, a prihvaćaju se materijali s ocjenom 7.

4. Vlačna čvrstoća (Rm) Iz analize naprezanja proizlazi da materijal treba imati Rm > 95 N/mm2.

5. Dinamička izdržljivost (Rd) Frekvencija opterećenja iznosi od 1 do 2,5106 ciklusa/god, ovisno o tjelesnoj aktivnosti. Opterećenje na kuk iznosi oko 2,5...3 težine tijela, tj. izračunato promjenjivo naprezanjeiznosi oko 3,1 N/mm2. Uz omjer Rds/Rm= 0,35 dobiva se minimalna tražena vrijednost savojne dinamičke izdržljivosti Rds = 33,25 N/mm2.

6. Otpornost na trošenje (OT) Radi što dulje trajnosti traži se što veća otpornost na adhezijsko trošenje, a prihvaćaju se materijali s ocjenom 7 ili više.

7. Modul elastičnosti (E) Elastična kompatibilnost nadomjestka u koštanu strukturu važna je zato da se izbjegnu različite elastične deformacije i postupno odvajanje proteze od kosti. E zamjenskih materijala su viši od E kosti, pa je E zato ciljana vrijednosti iznosi 14 kN/mm2.

8. Gustoća ()Poželjna je sličnost između gustoće nadomjestka i kosti. Ciljana vrijednost je gustoća kosti oko 2100 kg/m3.

9. Troškovi (C) Ukupni troškovi uključuju cijenu osnovnog materijala, troškove izrade i završne obrade. Kako nije moguća masovna proizvodnja, to troškovi proizvodnje i završne obrade postaju bitni u odnosu na ukupne troškove. Stvarni troškovi preračunavaju se u relativne indekse (ocjene) od 1 do 10, gdje 10 odgovara najvišem iznosu troškova.

OSNOVNE VARIJANTE POSTUPAKA

- kovanje u ukovnju + obrada odvajanjem čestica (za metale)

- precizno lijevanje + vruće izostatičko prešanje (HIP + završna obrada brušenja i poliranja - za metale);

- kovanje ili precizno lijevanje + obrada odvajanjem čestica + modificiranje površine (za metalne osnovne materijale);

- vruće izostatičko prešanje (HIP + završna obrada brušenja i poliranja za keramiku).

d c cn n nji k

i j ii j ki=1 j=1 k=1d cg

XY YM = B B B 1 min.

X Y X

d, g i c - odnose na donju, gornju i ciljanu vrijednost promatranog svojstva:nd, ng, nc - označava broj donjih, gornjih i ciljanih vrijednosti svojstava;Bi, Bj, Bk - faktori važnosti za donju, gornju i ciljanu vrijednost svojstava;Xi, Xj, Xk - donje, gornje i ciljane vrijednosti za razmatrana svojstva materijala;Yi, Yj, Yk - specificirane donje, gornje i ciljane vrijednosti svojstava.

Metoda graničnih vrijednosti

Svojstvo Granica Faktor važnosti prihvatljivost tkiva donja Yi = 7 0,20 otpornost na koroziju donja Yi = 7 0,20 žilavost donja Yi = 2 0,08 dinamička izdržljivost donja Yi = 33,25 N/mm2 0,12 vlačna čvrstoća donja Yi = 95 N/mm2 0,08 otpornost na trošenje donja Yi = 7 0,08 modul elastičnosti ciljana Yk = 14 kN/mm2 0,08 gustoća ciljana Yk = 2100 kg/m3 0,08 troškovi gornja Yj = 10 0,08

ZAHTJEVANA SVOJSTVA I FAKTORI VAŽNOSTI

Vrsta materijala PT OK Rm, N/mm2

Rds, N/mm2

E, kN/mm2

K OT 103, kg/m3

C M Rang

X2CrNiMo18-10 (AISI 316L)

10 7 585 235 203 8 8 7,8 1 0,60 6

X2CrNiMo18-14 (AISI 317)1)

9 7 620 245 203 10 8,5 7,8 1,1 0,61 7

X10CrNiTi18-9 (AISI 321)

9 7 750 260 203 10 8 7,8 1,1 0,61 8

X5NiCrTi26-15 – gašen i ostaren

9 8 1000 350 203 10 9 7,9 1,4 0,57 5

X5CrNiCu(Nb)17-4 –gašen i ostaren

(17-4 PH)

9 8 1400 490 203 10 9 7,9 1,4 0,57 4

Co-Cr-Mo (ISO 5832/4) – lijevana2)

10 9 700 250 205 2 10 8,3 3,7 0,62 9

Co-Cr-Ni-W-kovana3) 10 9 1050 390 242 10 10 9,2 4,0 0,55 2 Nelegirani Ti – kovan 8 10 630 315 124 7 8 4,5 1,7 0,56 3 Ti6Al4V – topl. očvrsnuto

8 10 1060 530 124 7 8,3 4,4 1,9 0,55 1

Epoksidna smola + 70% uglj. vlakna

7 7 560 170 56 3 7,5 1,6 10 0,65 10

procjene; Rds 0,35Rm;1) sastav: 0,07 %C; 1 %Si; 2 %Mn; 16...18 %Cr; 4...5 %Mo;12,5...14,5 %Ni; 2) 1 %Mn; 1 %Si; 26,5...30 %Cr; 4,5...7 %Mo; 2,5 %Ni; 1 %Fe; 0,35 %C, ost. Co; 3) 2 %Mn; 3 %Fe; 19...21 %Cr; 9...11 %Ni; 14...16 %W; 0,05...0,15 %C; 1,0 %Si; ost. Co

SVOJSTVA MATERIJALA I PARAMETRI VREDNOVANJA