1.Opiši ulogu materijala za proizvodnju tehničkih tvorevina kroz arheološka razdoblja.
Jedna od najvažnijih zadaća u najranijoj ljudskoj povijesti bila je proizvesti alat i oružje. Prema osnovnom materijalu za proizvodnju oštrice daje se ime cijelom razdoblju. Tako imamo kameno, bakreno, brončano i željezno doba. Ova klasifikacija je prihvaćena na zagovor danskog arheologa i kustosa Nacionalnog muzeja Danske Christiana Jurgensena Thomsena 1788 - 1865.
2. Kada u ljudskoj povijesti dolazi do značajnijeg civilizacijskog razvoja?
Onda kada je došlo do otkrića takvog osnovnog materijala za izradu bolje oštrice alata i oružja.
2.1. Bronca (brončano doba) je mnogo čvršća od bakra i kositra od kojih se proizvodi, a ima i dobra svojstva lijevnosti i kovnosti.
2.2. Željezo (željezno doba). Otkrićem željeza dolazi do novog značajnog iskoraka u proizvodnji oštrice zbog svojstva legure željeza čelika da se toplinskom obradom (kaljenje) prozvedu još čvršće oštrice.
3. Opiši metale (kovine)
To su kemijski elementi mineralnog sastava čije je zajedničko svojstvo da dobro provode električnu struju. Najzastupljeniji su materijali u suvremenoj proizvodnji. Najčešće se rabe željezo, bakar, aluminij, nikal, kositar, olovo, zlato, a od njh se izrađuju alati, strojevi, brodovi, mehaničke konstrukcije, električni vodovi itd.
4. Opiši legure (slitine)
Mnogi metali u čistom stanju imaju loša tehnička svojstva, pa ih je potrebno u rastaljenom stanju miješati sa drugim metalima i nemetalima. Tako nastaju legure ili slitine koje imaju mnogo bolja tehnička svojstva.
5. Nabroji i opiši tri glavne slitine
5.1. Čelik je slitina željeza i ugljika sa udjelom od 0,05%-2,2%. Ugljik je pratilac željeza zaostao od proizvodnje sirovog željeza. On ima najveći utjecaj kao legirna komponenta.
5.2. Bronca, legura bakra i kositra, mnogo je čvršća i tvrđa od legirnih elemenata.
To je samo jedna od bronci. Postoje i druge koje imaju veliku ulogu u strojarstvu, a to su alminijska, olovna, berilijeva, manganova i silicijeva. Pored bronci bakar se dobro legira sa niklom i tvori više značajnih legura.
5.3. Mjed legura bakra i cinka
6. Opiši način dobivanja metala
Metali su u prirodi rijetko samorodni nego su pomješani sa drugim elementima u smjesama koje nazivamo rude, a izdvajaju se postupkom taljenja. Da bi postupak bio isplativ u rudi mora biti dovoljan postotak metala, a za željezo to iznosi 20%. Glavne željezne rude su magnetit i hematit, a ostale limonit, siderit i pirit.
7. Opiši metalurgiju
To je područje tehnologije koje se bavi dobivanjem kovina i njihovom obradbom. Utemeljena je u Mezopotamiji prije 5000 godina. Dijelimo je na crnu, metalurgiju obojenih metala, i metalurgiju lakih metala.
7.1. Crna-željezo, krom i mangan.
7.2. Metalurgija obojenih metala-bakar, cink, olovo, antimon, živa, kositar, nikal kobalt, molibden, itd.
7.3. Metalurgija lakih metala-aluminij i magnezij
8. Opiši proizvodnju sirovog željeza
Dobiva se u visokim pećima. Izgrađene su od vatrostalne opeke i obložene čeličnim plaštem. Sirovina (ruda, koks i
vapno) ubacuje se izmjenično kroz gornji dio peći (grotlo). Koks je industrijski prerađen visokokalorični ugljen koji
izgara u struji vrućeg zraka temperature 1000 stupnjeva. Tako se postiže temperatura rastaljenog željeza od 1200
stupnjeva,ono se skuplja na dnu peći i izlijeva u kalupe. Ima 2,2-4.5% ugljika i loša mehanička svojstva. Na željezu, kao specifički lakša pliva troska. Štiti željezo od oksidacije, ima je težinski kao i željeza, a koristi se za proizvodnju
opeka, tzv. željeznog portland cementa i izolacijskog materijala.
9. Komentiraj ekološku problematiku visoke peći
9.1. Peć izbacuje velike količine ugljičnog dioksida te povećava efekt staklenika i doprinosi globalnom zatopljenju.
(vidi interaktivnu kartu četiri stupnja na internetu).
9.2. Pošto željezna ruda ima stanovitu količinu sumpora pojavljuju se kisele kiše koje nepovoljno utječu na drveće.
9.3. Peć za hlađenje troši velike količine vode. (2kg po kg sirovog željeza)
10. Navedi svojstva kovina
Zbog brojnih dobrih svojstava, kovine su danas najvažniji materijali u strojogradnji, brodogradnji, elektrotehnici i elektronici. Svojstva kovina i ostalih materijala razlikujemo kao: fizikalna, kemijska, mehanička i tehnološka.
11. Opiši fizikalna svojstva kovina
Zajednička fizikalna svojstva kovina su dobra električna i toplinska vodljivost, te relativno velika gustoća.
Neke kovine imaju i dobra magnetska svojstva.
12. Opiši kemijska svojstva kovina
12.1. Otpornost na koroziju
Korozija je spajanje metala sa tvarima iz okoline pa tako nastaju oksidi, sulfidi, sulfati, karbonati, kloridi... Najpoznatiji je primjer hrđanje željeza. Korozija na željezu djeluje ružno, propusna je, proces nezaustavljivo napreduje rušeći uz estetska i mehanička svojstva, pa je potrebna zaštita. Legiranjem željeza sa >13% kroma čelik postaje antikorozivan u normalnim uvjetima. Zlato, srebro, platina, paladijum, krom, nikal, bakar, aluminij, te bronce i mjed također su otporni na koroziju.
12.2. Vatrootpornost definira kakva svojstva imaju kovine kod visokih temperatura. Npr. čelik postiže visoku
vatrootpornost legiranjem sa kromom i niklom (30-50%). Magnezij, aluminij i natrij su zapaljivi metali.
12.3. Kiseline otapaju metale i tvore soli. Lužine ih također nagrizaju pa se koriste za čišćenje metala.
13. Opiši mehanička svojstva metala
13.1. Čvrstoća je otpornost materijala kod vlačnog ili tlačnog statičkog opterećenja, a ispituje se na kidalici. U slučaju dinamičkog izmjeničnog opterećenja ispitivanje se vrši na visokofrekventnom pulzatoru. Višekratnim ispitivanjima određuje se trajna dinamička čvrstoća, a oko dva puta je manja nego kod statičkog opterećenja. Čvrstoća se izračunava kad se sila kidanja izražena u njutnima podjeli sa površinom presjeka epruvete u mm2, a mjerna jedinica je N/mm2.
13.2. Tvrdoća je otpor materijala na prodiranje nekog predmeta kroz njegovu površinu. Ima nekoliko postupaka
ispitivanja.Grebanje dijamantnom iglom, te utiskivanje kaljene kuglice i dijamantne oštrice. Tvrdoća se izračunava
na temelju veličine otiska u odnosu na primjenjenu silu.
13.3. Žilavost je otpornost materijala na savijanje ili uvijanje u uvjetima dinamičkog udarnog naprezanja. Za ispitivanje žilavosti najčešće se koristi uređaj Šarpijevo klatno, a određuje se mehanički rad koji je potreban da se razori materjal određenog presjeka jednim udarcem malja. Mjerna jedinica je J/cm2. Žilavost se značajno smanjuje kod niskih temperatura.
13.4. Elastičnost je svojstvo materijala da se makon prestanka djelovanja sile vrati u prvobitni oblik.
13.5. Plastičnost je svojstvo materijala da trajno zadrži novi oblik dobiven zbog djelovanja vanjske sile.
14. Opiši tehnološka svojstva kovina
Tehnološka svojstva kovina opisuju njenu obradivost različitim postupcima.
14.1. Lijevnost opisuje svojstvo dobrog popunjavanja kalupa pri određenoj temperaturi i sastavu.
14.2. Kovnost određuje svojstva koja daju dobru obradivost udarcima malja (za čelik je to iznad 750 stupnjeva).
14.3. Najbolja zavarljivost se postiže kod sadržaja ugljika od 0,2%. To su čelici za mehaničke konstrukcije (mostovi, rezervoari, dalekovodni stupovi)
14.4. Kaljivost je svojstvo da čelici naglim hlađenjem zamrznu strukturu iz zagrijanog stanja koja daje visoku tvrdoću, ali i krtost materijala. Ako se nakon kaljenja čelik pnovo zagrije na nižu temperaturu i ohladi bez kaljenja jako povećavamo žilavost. Naknadno zagrijavanje nazivamo popuštanje, a cjelokupni postupak poboljšavanje. Čelici za poboljšavanje imaju sadržaj ugljika od 0,18 do 0,65%. Alatni čelici također imaju dobru kaljivost, a sadržaj ugljika im je od 0,5 do 2%.
14.5. Obrade odvajanjem čestica.
Metali se dobro obrađuju skidanjem čestica i pri tom se mijenja oblik i dimenzije. Postupci su brojni: Tokarenje, glodanje, bušenje, blanjanje, brušenje, piljenje, poliranje. U modernoj proizvodnji veliku ulogu imaju i postupci rezanja metala koje može biti plamenikom, plazmom, vodenim mlazom i laserom. Moderni strojevi su u cnc izvedbi, a postiže se velika produkcija, točnost i ušteda materijala.
14.6. Obrada bez odvajanja čestica.
U ovu grupu spadaju postupci: Prešanje, probijanje, izrezivanje, savijanje... Strojevi su uglavnom u cnc izvedbi i velikih proizvodnih mogućnosti.
15. povijest proizvodnje metala *****+
Grad Metsamor danas u Armeniji u prošlosti je bio vodeći metalurški centar. Područje je aktivno u razdoblju od <7000 do >1700 godine, a metalurška proizvodnja počinje oko <5000. godine. Za vrijeme najveće ekspanzije prostirao se na 200 hektara i imao oko 50000 stanovnika i tako spadao u najveće gradove na svijetu. Veliki metalurški kompleks uz ostalo posjedovao je i dvije visoke peći. Proizvodilo se zlato, bakar, bronce, mangan, cink, živu i u manjoj mjeri željezo. Kvalitetna željezna ruda izvozila se u druge metalurške centre. Pošto je u blizini otkrivrn najstariji željezni predmet (bodež <2500 godina) pretpostavlja se da je na tom lokalitetu započela prva proizvodnja spužvastog željeza koje se dobivalo kao nus proizvod pri proizvodnji bakra.
16. Povijest mehaničkih ispitivanja materijala *****+.
Prvo poznato izvješće o mehaničkim ispitivanjima materijala potječe iz 1519. godine, a autor le Leonardo da Vinci. Godine 1867. njemački inženjer August Wohler nakon dugotrajnih istraživanja objavljuje metodu za izračun čvrstoće u uvjetima dinamičkog opterećenja koje može biti pulzirajuće, izmjenično i titrajno. Mjerenja se vrše na visokofrekventnom pulzatoru, a određuje se trajna dinamička čvrstoća koja ima približno dvostruko manju vrijednost nego u uvjetima mirnog opterećenja. Wohler je došao do zaključka da se čvrstoća materijala smanjuje ovisno o broju titraja sve do jednog graničnog broja nakon kojeg ostaje konstantna. August Woler je radio na željeznici, a istraživanje je pokrenuto nakon mnogih puknća vagonskih osovina koje su bile korektno proračunate u uvjetima statičkog opterećenja. Wolerova otkrića su donjela napredak u mehaničkim izračunima obzirom da se 80% havarija događa u uvjetima dinamičkog opterećenja. U njegovu čast dijagram za izračun trajne dinamičke čvrstoće naziva se Wolerov dijagram. Pulzatori su danas sofisticirani hidromehanički uređaji sa numeričkim upravljanjem. Godine 1901. francuski inženjer strojarstva i metalurgije, a kasnije i sveučilišni profesor Georges Charpy objavljuje metodu za izračun žilavosti u uvjetima dinamičkog udarnog opterećenja. Uređaj Šarpijevo klatno jednim udercem bata kida epruvetu i pritom daje podatke za izračun mehaničkog rada koji je za to utrošen. Mjerna jedinica za žilavost po Charpyu je J/cm2. Žilavost je značajna u mehaničkim izračunima, a posebno u uvjetima niskih temperatura kada se jako smanjuje. Danas su ovi uređaji opremljeni računalom.
Dodatna pitanja za provjeru znanja.
1. Opskrba visoke peći vrućim zrakom uvedena je približno prije:
a) 3500 godina b) 2000 godina c) 350 godina d) 200 godina
2. Označi člana koji ne pripada u skupinu.
a) krom b) aluminij c) čelik d) platina
3. Označi člana koji ne pripada u skupinu.
a) bakar i kositar b) bakar i cink c) bakar i silicij d) bakar i magnezij e) bakar i olovo f) bakar i berilij g) bakar i mangan
4. Mjerna jedinica za čvrstoću je:
a) J/cm2 b) N/mm2 c) W/mm2 d) kg/mm2
5. Mjerna jedinica za žilavost je:
a) J/cm2 b) N/mm2 c) W/mm2 d) kg/mm2
6. Predgrijavanje zraka za izgaranje u visokim pećima prvi put je primjenjeno u:
a) Tanzaniji b) Bosni c) Kini d) Armeniji e) Španjolskoj f) Sri Lanki
|
