NAUKA O MATERIAŁACH:
jest dziedziną nauki, dotyczącą struktury i właściwości materiałów (tworzyw) wyjaśniającą mechanizmy i związki pomiędzy właściwościami, a struktura i składem chemicznym
Materiałoznawstwo to wiedza na temat materiałów o charakterze praktycznym, uwzględniająca możliwości ich zastosowania i użytkowania.
Inżynieria materiałowa:
jest dziedziną inżynierii, obejmującą zastosowania nauki o materiałach (tworzywach) dla bezpośrednio użytecznych celów związanych z projektowaniem, wytwarzaniem, doskonaleniem i użytkowaniem różnych produktów i dóbr powszechnego użytku.
Właściwości materiału: mechaniczne, fizyczne, chemiczne, technologiczne
Jakoś konstruowania:
Nienowoczesny projekt czy konstrukcję nie jest w stanie naprawić dalszy proces jej realizacji.
Sfera konstruowania to m.in. nadawanie cech geometrycznych, estetycznych, ergonomicznych i użytkowych wyrobu.
Uwzględnia sytuację na rynku, przeznaczenie wyrobu, jego funkcję, wymogi ilościowe,
odpowiedzialność, warunki pracy itp.
Konstruowanie bezwzględnie winno zapewniać technologiczność konstrukcji, czyli możliwość jej wytworzenia w danych warunkach techniczno-technologicznych zakładu czy kraju z dotrzymaniem wymagań co do technicznego funkcjonowania, ekonomiczności produkcji i bezpieczeństwa produktu.
DOBÓR MATERIAŁU
Doboru dokonuje się w oparciu o sformułowane wymagania (np. wysokiej czystości
metalurgicznej, wytrzymały, odporny na pękanie, żaroodporny, o wysokiej jakości
powierzchni, lekki, odporny na zużycie, relatywnie tani) oraz przyjęte kryteria doboru (np. minimalna wartość szkodliwych zanieczyszczeń, minimalna wartość twardości czy granicy
plastyczności, żaroodporny w określonym środowisku do określonej temperatury). Inne kryteria takie jak dostępność, terminowość dostaw, w niektórych wypadkach są ważniejsze
od ceny.
WYROBY MOGĄ BYĆ KSZTAŁTOWANE PRZEZ:
Wlanie ciekłego metalu do formy (technologie metalurgiczne, odlewnicze),
Odkształcane pod wpływem dużych nacisków na zimno lub na gorąco ( walcowanie, kucie swobodne lub matrycowe, wyciskanie, ciągnienie, tłoczenie, prasowanie, gięcie)
Łączenie trwałe lub rozbieralne ( spawanie, zgrzewanie, lutowanie, klejenie, nitowanie)
Zagęszczanie drobnego proszku metalowego w zwartą masę z następnym spiekaniem w wysokiej temperaturze, (metalurgia proszków)
Usuwanie nadmiaru materiału ( cięcie, toczenie, struganie, frezowanie, wiercenie, dziurowanie i szlifowanie)
TECHNOLOGIE I METODY POPRAWIAJĄCE WŁAŚCIOWOŚCI MATERIAŁÓW
Procesy modyfikacji i obróbki ciekłego metalu
Obróbka plastyczna
Obróbka cieplna
Technologie warstwy wierzchniej
Obróbka cieplno-plastyczna
CZYNNIK DETERMINUJĄCE WYBÓR TECHNIOLOGII
Kształt i masa wytwarzanego przedmiotu,
Szczegółowe cechy geometryczne ( tolerancje, grubość ścianki, kąt nachylenia, ostrość krawędzi),
Wymagane minimalne właściwości mechaniczne lub fizyko-chemiczne
Koszty materiałów i produkcji
Wymagania stanu powierzchni
Warunki pracy
Potencjalna trwałość produktu wykonanego daną technologią
Wielkość produkcji
Przeznaczenie produktu, odpowiedzialność
TRWAŁOŚĆ
Umowny kompleksowy wskaźnik będący kombinacją wielu cech i właściwości:
- struktury materiału;
- właściwości;
- warunków obciążeniowych;
- warunków eksploatacji elementu konstrukcyjnego.
TRWAŁOŚĆ JEST NIEROZERWALNIE ZWIĄZANA Z PROCESAMI NISZCZENIA
MIARY TRWAŁOŚCI
Czas graniczny do zniszczenia
Graniczna liczba cykli do zniszczenia
Liczba operacji lub zabiegów technologicznych
Liczba innych wielkości mierzalnych (np. droga – opony łożyska) po których, przy założonym kryterium, nastąpi zniszczenie
CZYNNIK WPŁYWAJĄCE NA TRWAŁOŚĆ ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH
§ Jakość projektu / konstrukcji
§ jakość wykonania elementu, montażu
§ związane z eksploatacją;
§ związane z konserwacją, diagnostyką, technologią napraw i modernizacją;
CZYNNIK ZWIĄZANE Z EKSPLOATACJĄ
§ czas;
§ temperatura ( zmienność);
§ naprężenie (sposób obciążenia, stan naprężenia, zmienność, cykliczność);
§ agresywność środowiska (zawartość związków siarki, sposób przepływu
pary, spalin, erozja, kawitacja);
KRYTERIA ZNISZCZENIA
Wartość dopuszczalnego odkształcenia trwałego
Wartość dopuszczalnych zmian cech geometrycznych (np.. Pocienienie ścianki)
Wielkość dopuszczalnych uszkodzeń wewnętrznych
Pojawienie się pęknięć
Złom
W ogólności utrata zdolności spełniania wymaganej funkcji
OGÓLNY PODZIAŁ MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
Ogromna liczba współcześnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych stwarza wielorakość kryteriów klasyfikacyjnych.
Jedną z najogólniejszych jest klasyfikacja oparta na charakterze dominującego wiązania działającego między cząstkami materii.
¢ metaliczne o wiązaniu metalicznym,
¢ ceramiczne o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym,
¢ polimeryczne, w których działa wiązanie kowalencyjne (w obrębie makrocząsteczek) i siły Van der Waalsa (między makrocząsteczkami).
RODZAJE WIĄZAŃ
Jonowe
Atomowe (Kowalentne)
Metaliczne
van der Vaalsa
WIĄZANIE JONOWE
jest typowe dla kryształów jonowych, które z reguły są przeźroczyste, a ich przewodnictwo elektryczne jest bardzo małe. Cechuje je dość duża wytrzymałość mechaniczna i twardość oraz wysoka temperatura topnienia, a także mają one tendencję do łupliwości wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych. Wiązanie jonowe jest spowodowane dążeniem
różnych atomów do tworzenia trwałych 8-elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych przez uwspólnienie elektronów.
Przykład: NaCl atom sodu, mający na zewnętrznej orbicie l elektron, oddaje go atomowi chloru, stając się jonem dodatnim, a atom chloru, mający na ostatniej orbicie 7 elektronów, po dołączeniu dodatkowego elektronu staje się jonem ujemnym.
WIĄZANIE ATOMOWE
występuje w cząsteczkach gazów dwuatomowych (H2, Cl2, O2, N2), niektórych pierwiastkach stałych (C - diament, Ge, Si, Sn-α) i związkach (SiC), a także w polimerach. Jest to wiązanie silne i kierunkowe.
WIĄZANIE METALICZNE
występuje między atomami metali w skondensowanych stanach skupienia. Istota tego wiązania wynika z teorii swobodnego elektronu (Drudego-Lorentza). Dzięki niskiemu potencjałowi jonizacyjnemu elektronów, po zbliżeniu się atomów do siebie, następuje oderwanie się elektronów wartościowości od rdzeni atomowych i utworzenie gazu elektronowego, w którym zachowują się jako cząstki swobodne. Poruszają się one między jonami i wiążą je na zasadzie elektrostatycznego przyciągania. Wiązanie metaliczne należy do wiązań silnych (energia wiązania jest pośrednia miedzy jonowym a atomowym) i jest bezkierunkowe. Poza tym typowymi własnościami metali są: dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne, ciągliwość i
metaliczny połysk. Z własnościami gazu elektronowego jest także związane charakterystyczne dla metali zwiększenie
oporności ze wzrostem temperatury. Dotychczas brak jest uniwersalnej teorii wyjaśniającej związek między budową
elektronową a strukturą oraz własnościami określonych metali.
WIĄZANIE VAN DER VAALSA
jest bardzo słabe (energia wiązań wynosi 100 - 1500 J/mol) i bezkierunkowe. Siły van der Waalsa działają w skroplonych gazach szlachetnych i między łańcuchami polimerów. Przyczyną powstawania tych sił jest nierównomierny rozkład ładunków w chmurach elektronowych. Pewna polaryzacja jest w tym przypadku wynikiem wzajemnego oddziaływania atomów. Chwilowe dipole indukują dipole w sąsiednich atomach. Wiązania van der Waalsa występują wraz z innymi w kryształach molekularnych, które składają się z cząsteczek o wiązaniach kowalentnych zespolonych ze sobą siłami van der Waalsa. Przykładem mogą być zestalone gazy (H, F, Cl, N) oraz kryształy jodu, siarki, selenu i telluru.
STRUKTURA ->MAKROSTUKTURA ->MIKROSTUKTURA ->SUBSTRUKTURA ->STRUKTURA KRYSTALICZNA I ATOMOWA
PODZIAŁ MATERIAŁÓW ZE WZGLĘDU NA STRUKTURĘ MATERIAŁU
Kryształy - Atomy w krysztale ułożone są w pewien powtarzający się regularny wzór zwany siecią krystaliczną. Polikryształy Wiele ciał stałych nie posiada jednolitej struktury krystalicznej dlatego, że są zbudowane z bardzo wielu malutkich kryształków – mówimy, że ciała te mają strukturę polikrystaliczną (np. metale). Ciała bezpostaciowe Istnieją w przyrodzie
również ciała niekrystaliczne ( np. szkło, smoła, wiele tworzyw sztucznych), w których występuje porządkowanie atomowe jedynie bliskiego zasięgu. Mówi się o nich, że są cieczami przechłodzonymi o dużej lepkości uporządkowanymi lokalnie.
POLIKRYSZTAŁ
materiał o złożonej budowie, którego podstawą są połączone trwale (granicami fazowymi) różnie zorientowane elementy krystaliczne. iększość występujących naturalnie w przyrodzie wytwarzanych syntetycznie materiałów ma budowę polikryształów
STRUKTURA KRYSTALICZNA
Odwzorowaniem przestrzennego rozmieszczenia atomów jest sieć przestrzenna, utworzona przez powtórzenie w trzech kierunkach podstawowego elementu, zwanego komórką zasadniczą albo sieciową.
KRYSTALICZNA STRUKTURA METALI
Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch tomów w krysztale nazywana jest prostą sieciową.
Najbliższa odległość atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej nosi nazwę parametru sieci.
Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w kierunku do niej nierównoległym tworzy sieć przestrzenną.
KRYTOLAGRAFICZNY UKŁAD WSPÓŁRZĘDNCYH
Do jednoznacznego zdefiniowania komórki zasadniczej (sieci przestrzennej) w ogólnym
przypadku konieczna jest znajomość trzech wektorów translacji: a, b, c, zwanych stałymi
(parametrami) sieciowymi oraz trzech kątów sieciowych: α, β , γ. Istotną cechą sieci
przestrzennej (układu węzłów, prostych i płaszczyzn sieciowych) jest symetria.
UKŁADY KRYSTALOGRAFICZNE I SIECI BRAVAIS’A
W zależności od ilości elementów symetrii istnieje 7 układów krystalograficznych,
zawierających 14 możliwych sieci translacyjnych (Bravais’a). Sieci translacyjne posiadające atomy tylko
we węzłach nazywa się prymitywnymi. Komórki posiadające atomy we węzłach i wewnątrz sieci nazywa się złożonymi lub strukturalnymi
BUDOWA KRYSTALICZNA METALI
Przeważająca większość metali odznacza się jedną z trzech struktur:
Al – płaskocentryczną układu regularnego,
A2 - przestrzenniecentryczna układu regularnego
A3 – zwarta (złożoną) układu heksagonalnego.
STRUKTURA PŁSAKOCENTRYCZNA UKŁADU REGULARNEGO
SIEĆ REGULARNA PŁASKO-CENTRYCZNA
występuje w większości metali (m.in. w żelazie γ), aluminium, niklu, miedzi, srebrze, złocie, platynie, palladzie, ołowiu i berylu). Metale te wykazują szczególnie dobrą plastyczność na gorąco, a niektóre także na zimno, i są bardzo dobrymi
przewodnikami ciepła i prądu elektrycznego.
STRUKTURA PRZESTRZENNIE CENTRYCZNA UKŁADU REGULARNEGO
SIEĆ REGULARNA PRZESTRZENNIE CENTRYCZNA
występuje w takich metalach, jak żelazo α, chrom, wolfram, molibden, wanad, tantal, niob, sód, potas itd. Metale tej grupy są mniej ciągliwe niż metale grupy pierwszej i nadają się przeważnie tylko do obróbki plastycznej na gorąco.
STRUKTURA ZWARTA UKŁADU HEKSAGONALNEGO
występuje m.in. w magnezie, tytanie α, cyrkonie α, kobalcie α, cynku, kadmie i rtęć. Metale o sieci heksagonalnej mają znacznie gorsze własności plastyczne niż metale o sieci regularnej i tylko niektóre z nich mogą być obrabiane plastycznie na gorąco i na zimno.
SIEĆ TETRAGONALNA
występuje w białej cynie, galu i indzie. Metale o sieci tetragonalnej cechuje niska twardość i niska
temperatura topnienia.
POLIMORFIZM
qOdmiany krystaliczne tego samego pierwiastka nazywają się odmianami alotropowymi - α, β,γ.
qNiektóre pierwiastki w zależności od warunków termodynamicznych (T, p) mogą występować w różnych strukturach krystalicznych. Np.. Fe, Ti, C -grafit i diament, SiO2 – kwarc,krystobalit, trydynit.
BUDOWA POLIKRYSZTAŁU
Budowa polikryształów tj. geometria ziaren wynika z:
1. Ustalania się lokalnych stanów równowagi w miejscach styku granic między ziarnowych
2. Konieczności zapełnienia przestrzeni elementami geometrycznymi (ziarnami)
Zgład – przekrój polikryształu, powierzchnia wypolerowana i wytrawiona, w mikroskopie optycznym lub SEM widoczne Granice
POLIKRYSTALICZNA BUDOWA METALI
Metale technicznie otrzymywane konwencjonalnymi metodami metalurgicznymi są zwykle polikryształami. Składają się z ziarn, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną,
MATERIAŁY METALICZNE
To metale techniczne i ich stopy, należą do grupy tworzyw krystalicznych. Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz zróżnicowaną odpornością na korozję. Odznaczają się na ogół dobrymi właściwościami technologicznymi oraz łatwością nadawania im (stopy metali) bardzo różnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych. Wadą materiałów metalicznych jest na ogół duży ciężar właściwy. Stanowią one podstawowe tworzywo na wyroby przemysłu maszynowego oraz na konstrukcje metalowe.
MATERIAŁY CERAMICZNE
należą w zasadzie do tworzyw krystalicznych, jakkolwiek mogą mieć pewien udział fazy amorficznej. Cechuje je duża twardość i kruchość. Przeważnie są izolatorami elektrycznymi i cieplnymi, o znacznej odporności na korozję. Wadą ich są złe właściwości technologiczne, przez co wymagają specjalnych technik przetwarzania. Właściwości predestynują materiały ceramiczne do specjalnych zastosowań, np. do wyrobu elementów żaroodpornych, elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych oraz jako specjalne materiały narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).
MATERIAŁY POLIMERYCZNE
tworzywa sztuczne, należą do grupy tworzyw amorficznych. Odznaczają się stosunkowo dobrymi właściwościami mechanicznymi, są elektroizolatorami oraz są bardzo odporne na działanie czynników chemicznych. Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a wadą - mała odporność na działanie temperatur przekraczających 200-300° C. W przypadku tworzyw sztucznych istnieje możliwość wydatnego powiększenia ich cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np. włóknami metalicznymi lub ceramicznymi (szkło, węgiel).
WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW
PODZIAŁ ZACHOWANIA SIĘ CIAŁ
Wyróżnia się trzy podstawowe modele zachowania się ciał:
1. odkształcenie sprężyste
2. odkształcenie plastyczne
3. odkształcenie lepkościowe lepko sprężystość, właściwość grupy ośrodków ciągłych wykazujących częściowo sprężystość postaciową (jak w ciele stałym, gdzie naprężenia są zależne od deformacji ciała pod wpływem sił zewn.) i częściowo podatność kształtu (jak w cieczy, gdzie naprężenia są zależne od prędkości deformacji); takimi ośrodkami są np.: smoła, miód, zawiesiny białek w wodzie, niektóre polimery
CHARAKTERYSTYKI SPRĘŻYSTE
Rzeczywiste zachowanie się materiałów łączy ze sobą elementy zachowania modelowego
sprężystego, plastycznego i lepkościowego
OGÓLNE WIADOMOŚCI O STOPACH METALI
Czyste metale są w technice stosowane stosunkowo rzadko. Wyjątki to m.in. Cu, Al., Sn, Zn, Pb, Ti, W Powszechne zastosowanie znajdują stopy metali – w wielu przypadkach wykazujące lepsze właściwości niż czyste metale. Stopy są substancjami dwu- lub wieloskładnikowymi, makroskopowo wykazującymi własności metaliczne. Co najmniej jeden z głównych składników stopu jest metalem, W KTÓRYM ROZPUSZCZONE SĄ INNE PIERWIASTKI (metali i niemetali).
METALE
Metale charakteryzują się wiązaniem metalicznym. Układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy metali. Właściwości metali i ich stopów:
dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne
połysk metaliczny, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanej powierzchni
plastyczność, czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń
FAZA
Fazą nazywa się jednorodną pod względem właściwości część układu, oddzieloną od pozostałej granicą rozdziału, przy przekroczeniu której następuje wyraźna zmiana właściwości.
Faza, która w strukturze materiału jest w ilościowej przewadze nazywana jest osnową.
STOPY
Stop zbudowany z jednego rodzaju ziarna nazywa się jednofazowym
Stop zbudowany z kilku rodzajów faz nazywa się wielofazowym ( przy dwóch fazach – dwufazowy).
METALE I STOPY MAJĄ UPORZĄDKOWANĄ
BUDOWĘ ATOMOWĄ (w postaci figur geometrycznych)
PRZYKŁADY STRUKTURY JEDNOFAZOWEJ I DWUFAZOWEJ
STOPY METALI
Stopy metali są wytwarzane głównie przez topienie co najmniej dwóch składników i krystalizację ze stanu ciekłego. W wyniku tych procesów z cieczy, będącej zwykle roztworem wszystkich składników, mogą powstać następujące fazy:
roztwory stałe
związki chemiczne (tlenki, siarczki)
fazy międzymetaliczne i międzywęzłowe
mieszaniny faz.
Metal czysty lub odmiana alotropowa
ROZTWORY STAŁE
Roztwór stały stanowi jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o
właściwościach typowo metalicznych.
Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze, jest rozpuszczalnikiem.
Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym.
RODZAJE ROZTWORÓW STAŁYCH
Międzywęzłowe i różno węzłowe
Ciągłe (o nieograniczonej rozpuszczalności) i graniczne ( o ograniczonej rozpuszczalności)
Podstawowe i wtórne (kiedy rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna)
NIEPRAWIDŁOWOŚCI STRUKUTRY SIECIOWEJ - DEFORMACJE
Struktura rzeczywistych kryształów nie jest doskonała i zawiera pewne wady, wywołujące określone nieprawidłowości budowy i wpływające na ich własności. Niektóre własności metali (np. gęstość, ciepło właściwe, współczynnik rozszerzalności cieplnej) nie są wrażliwe na struktur...
Paulina__PP