MATERIAŁOZNAWSTWO - A. Zieliński (Politechnika Gdańska).doc

(1618 KB) Pobierz

MATERIAŁOZNAWSTWO

( prof. dr hab. inż. Andrzej Zieliński )

Wykłady z materiałoznawstwa sem 1 na PG opracowane przeze mnie

All rights broken

Wiązania między atomami

· Jonowe: para elektronów w całości połączona przez anion

· Atomowe (kowalencyjne): para elektronów wspólna

· Metaliczne: gaz elektronowy

· Wtórne: Van der Waalsa, Londona wodorowe

Energia wiązań między atomami

Główne grupy materiałów inżynierskich.

Podstawowe grupy materiałów:

· Materiały: ciała stałe o właściwościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.

· Materiały naturalne: materiały wymagające jedynie nadania krztałtu.

· Materiały inżynierskie: nie występują w naturze, lecz wymagają zastosowania złożonych procesów wytwórczych, są to: tworzywa metalowe, ceramiczne, polimery, kompozyty.

Procesy technologiczne

· Metale otrzymuje się z rud procesami metalurgicznymi

· Otrzymywanie elementów metalicznych: odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, metalurgia proszków.

· Krztałtowanie właściwości: obróbka cieplna.

· Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria powierzchni (warstwy wierzchnie).

Podstawowe stopy metali

· Stopy żelaza z węglem: stale, staliwa, żeliwa

· Metale nieżelazne i ich stopy.

Charakterystyka ceramik

· Ceramiki: materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach

· Wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach nieodwracalnych

· Materiały ceramiczne: ceramika inżynierska, cermatale, ceramika porowana, szkła ceramika szklana.

Właściwości materiałów ceramicznych

· Bardzo wysoka wytrzymałość

· Twardość

· Kruchość (plastyczność bliska zeru)

· Niezdolność do poddawania obróbce cieplnej i plastycznej.

Charakterystyka polimerów

· Materiały organiczne złożone ze związków węgla

· Makrocząsteczki powstałe w wyniku połączenia monomerów

· Tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem barwników, pigmentów, katalizatorów, napełniaczy zwiększaczy i antyutleniaczy

Właściwości polimerów

· Niska gęstość

· Właściwości izolacyjne

· Słabe odbicie światła

· Duża odporność chemiczna

· Ogranicznona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej.

Podstawowe grupy polimerów

· Plastomery: polimery o wydłużeniu przy rozerwaniu do 200%; termoplasty i duroplasty

· Elastomery: polimery o skłonności do dużych odkształceń sprężystych.

Charakterystyka kompozytów

· Podział ze względu na osnowę metalową, polimerową lub ceramiczną

· Wzmocnienie (zbrojenie): proszek, krótkie włókna lub płatki, włókna długie (ciągłe)

Struktury odmian alotropowych węgla

· Grafit

· Diament

· Fullureny

· Nanorurki

· Sadza (węgiel amorficzny)

Polimery mają strukturę liniową, rozgałęzioną lub (i) usieciowaną.

Substancje amorficzne

· Szkła, substancje bezpostaciowe

· Struktura nieuporządkowana, pośrednia między kryształem a cieczą.

Układy sieci krystalograficznej metali

· A1 (RSC) — regularna ściennie centrowana

· A2 (RPC) — regularna przestrzennie centrowana

· A3 (HZ) — heksagonalna zwarta

Metale nie krystalizują w układach jednorodnym i trójkątnym.

Defekty.

Rodzaje wad budowy krystalicznej:

· Punktowe (wakanse: wolne węzły, atomy międzywęzłowe w stopach, obce atomy domieszek)

· Liniowe

· Powierzchniowe (złożone)

Dyfuzja (transport masy)

Równanie Ficka:

JA = - DAB (dCA/dx)

w którym:

DAB - współczynnik proporcjonalności jako kinematyczny współczynnik dyfuzji , m2/s ,

CA - stężenie składnika A , kmol /m3,

x - odległość, M,

JA - szybkość dyfuzji składnika A, kmol /m3 .

Mechanizmy dyfuzji

energia aktywacji dyfuzji

Dyslokacje

Główne rodzaje: krawędziowe, śróbowe, mieszane; dyslokacje całkowite (doskonałe) i częściowe.

Wielkość dyslokacji i wywołane nią odkształcenie charakteryzuje wektor Burgersa b. Wektor ten wyznacza się tworząc tzw. kontur Burgersa.

Wektor Burgersa: wektor zamykający kontur Burgersa.

Dyslokacja krawędziowa

· Wektor Burgersa prostopadły do linii dyslokacji

· Dodatnia i ujemna

Ruch dyslokacji krawędziowej

· Poślizg

· Wspinanie (zstępowanie)

Dyslokacja śrubowa

· Wektor Burgersa równoległy do linii dyslokacji

· Prawo i lewoskrętne

Dyslokacja — opis zniekrztałcenia kryształu.

Błędy ułożenia powstają wskutek kondensacji wakansów, zaburzonego wzrostu kryształu, odkrztałcenia plastycznego. Mogą być: zewnętrzne i wewnętrzne.

Polikrystaliczna struktura metali.

· Monokryształy i polikryształy

· Ziarna: części kryształu o prawidłowej strukturze krystalicznej o osiach nachylonych względem siebie o kąt dezorientacji

· Granice wąskokątowe i szerokokątowe

· Granice koherentne, niekoherentne i półkoherentne.

Budowa stopów metali

Stopy metali:

· Substancje wieloskładnikowe, w których conajmniej jeden składnik jest metalem, wykazujące charakter metaliczny

· Skład chemiczny i stężenie masowe lub atomowe

· Stopy jedno- lub wielofazowe

· Faza: jednorodna część stopu oddzielona granicą między fazową

· Układ: zbiór faz w stanie równowagi termodynamicznej

· Składniki stopów: pierwiastki, roztwory stałe, fazy międzymetaliczne i międzywęzłowe

Roztwory stałe

· Jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach metalicznych

· Rozpuszczalnik i pierwiastek rozpuszczany

· Roztwory podstawowe: rozpuszczalnikiem jest pierwiastek

· Roztwory wtórne: rozpuszczalnikiem jest faza międzykrystaliczna

· Roztwory stałe, ciągłe i graniczne

Reguły Aume – Rothery’ego tworzenia roztworów stałych ciągłych

· Typów sieci: oba składniki mają ten sam typ struktury krystalicznej

· Wielkości atomów: całkowita rozpuszczalność przy stosunku promieni atomowych <1,08, tylko ograniczona dla >1,15

· Elektrowartościowości ujemnej: im mniejsza różnica elektrowartościowości, tym większa możliwość tworzenia roztworów stałych

· Względnych wartościowości: dla miedziowców rozpuszczalność metali o wyższej wartości wartościowości w metalach jednowartościowych jest większa niż odwrotnie.

Roztwory stałe:

· Międzywęzłowe graniczne i ekspansja sieci. Tworzy np.: Fe z B, O, C, H, N

· Różnowęzłowe ciągłe lub graniczne; ekspansja lub kontrakcja sieci.

Nadstruktury

· W niektórych roztworach stałych różnowęzłowych o określonym stężeniu występuje przemiana nieporządek — porządek w trakcie chłodzenia lub wygrzewania

· Wzory: AB, AB3, A3B

Fazy międzymetaliczne

· Struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze składników

· Uporządkowane rozmieszczenie atomów

· Przewaga wiązania metalicznego

· Wzory podobne do wzorów związków chemicznych przy braku związku z wartościowością pierwiastków; odchylenia od stechiometrii

· Roztwory stałe wtórne: różnowęzłowe, międzywęzłowe, pustowęzłowe

· Klasyfikacja wg stężenia elektronowego lub wielkości atomów

Fazy elektronowe

· Stężenie elektronowe: stosunek liczby elektronów wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnej (czynnik elektrochemiczny)

· Roztwory stałe wtórne o wyraźnych właściwościach metalicznych

· Trzy wartości stężenia elektronowego 21/14, 21/13, 21/12