Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

CZĘŚĆ 1. – OGÓLNA + METALE

1. Wiadomości ogólne

1.1. Wybór materiału

- ekonomia (cena, dostępność)
- mechaniczne właściwości objętościowe
- niemechaniczne właściwości objętościowe
- właściwości powierzchni
- właściwości produkcyjne
- właściwości estetyczne

1.2. Materiały inżynierskie

- metale/stopy
- materiały ceramiczne i szkła
- polimery
- kompozyty

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

1.3. Metale i ich stopy

Fe: stale, żeliwa

Oba stopy to Fe + C

Stale – obróbka plastyczna (kujemy, walcujemy)

Żeliwa – odlewamy
Staliwa – to materiały o składzie stali, ale obróbce żeliwa.

Cu: brązy, mosiądze, (miedzionikle)

Brązy to: Cu + któryś z pierwiastków: Sn, Be, Al, Pb, Si.

Mosiądze to: Cu + Zn.

Al: durale, siluminy

Durale – plastyczne
Siluminy – odlewnicze

Ni, Ti, Mg: stopy lekkie

1.4. Cechy metali i stopów:

- sztywność
- plastyczność
- sprężystość
- ciągliwość
- odporność na pękanie
- przewodność elektryczna i cieplna
UWAGA: nie metaliczny połysk!

Czyste metale – mała wytrzymałość mechaniczna
Stopy – duża wytrzymałość mechaniczna

1.5. Metale:

a) O niskiej temperaturze topnienia: Pb, Zn, Mg, Al, Sn
b) O wysokiej temperaturze topnienia: W (ok. 3700), Mo (ok. 2900)

Temperatura zwiększa właściwości plastyczne, a zmniejsza wytrzymałościowe

1.6. Inne pojęcia:

Superstopy, nadstopy – charakteryzują się żaroodpornością (chemiczną) i żarowytrzymałością.
Szkło metaliczne / metale szkliste – nieuporządkowane, nie są wykrywane przez radary.

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

2. STAL

2.1. Stal węglowa

a)  Definicja: stop żelaza z węglem (Fe + C)
b)  Zawartość węgla: do 6,7%, praktycznie do 2,11%, najczęściej około 1%
c)  Temperatura topnienia: około 1500 stopni Celsjusza
d)  Im większa zawartość węgla, tym większa kruchość i twardość
e)  Zalety stali węglowej:

+ dobre parametry wytrzymałościowe
+ cena

Wady stali węglowej:

- brak odporności na korozję

2.2. Jak zwiększyć odporność na korozję stali węglowej?

- przez dodatek chromu, niklu (stal chromowo-niklowa), molibdenu
- przez stosowanie różnego rodzaju powłok, kompozytów itp.

2.3. Wpływ szybkości chłodzenia na właściwości stali:

- przy szybkim chłodzeniu powstają małe krystality,
- właściwości na granicach krystalitów są inne,
- właściwości materiałów drobnokrystalicznych są inne niż grubokrystalicznych,
- nanomateriał jest lepszy wytrzymałościowo niż materiał grubokrystaliczny,

2.4. Wpływ innych pierwiastków:

a)  Zanieczyszczenia: P, S
b)  Dodatki zwykłe: Al, Si, Mn
c)  Dodatki stopowe: Cr-Ni, Mo
d)  Dodatki (wpływ T): Mo, W
e)  Węglik krzemu -> kruchość na gorąco (tworzy mieszaninę eutektyczną)

3. MATERIAŁY CERAMICZNE I SZKŁA

3.1. Definicja:

- tlenki i związki chemiczne z C, N, P, S
- składniki: Al

, SiO

, MgO, SiC, Si

3.2. Właściwości:

- mała pojemność elektryczna i cieplna,
- zdolność do przenoszenia obciążeń ściskających,
- słaba ciągliwość, pęka,
- odporne na korozję,
- odporne na wysoką temperaturę (temperatura topnienia Al

to aż 2020 stopni, podczas gdy

samego Al tylko 660 stopni Celsjusza)
- z reguły są krystaliczne (szkło jest amorficzne!)

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

3.3. Pojęcia:

Odszklenie/dewitryfikacja – jest to przejście z fazy szklanej do fazy krystalicznej.
Szkło okienne – składa się w 72% z SiO

+ Na

O + CaO

4. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW

4.1. Naprężenie

Kiedy na pręt działa siła, są w nim naprężenia. Wyrażamy je jako siłę działającą na określoną
powierzchnię przekroju:

𝜎 =

𝐹

𝑆

Gdy siła nie jest prostopadła do powierzchni przekroju wyróżniamy dwie siły:
- siłę styczną (ścinającą)
- siłę normalną (rozciągającą).

Jednostka naprężenia:

[𝜎] = 𝑁𝑚

−2

, 𝑀𝑁𝑚

−2

, 𝑀𝑃𝑎

4.2. Odkształcenie

a) Wydłużenie

𝜀

𝑛

∆𝑙

𝑙

𝑙 − 𝑙

𝑙

b) Odkształcenie poprzeczne

𝜀

𝑝

∆𝑎

𝑎

𝑎 − 𝑎

𝑎

c) Liczba Poissona

𝑣 = −

𝜀

𝑝

𝜀

𝑛

(𝑤 𝑧𝑎𝑘𝑟𝑒𝑠𝑖𝑒 𝑜𝑑𝑘𝑠𝑧𝑡𝑎ł𝑐𝑒ń 𝑠𝑝𝑟ęż𝑦𝑠𝑡𝑦𝑐ℎ)

4.3. Moduły sprężystości

𝜎 = 𝜀𝐸

E – moduł Younga, zależy od:

- typu wiązań,

- składu chemicznego,

- struktury krystalicznej.

Jest to wartość anizotropowa (zależy od kierunku).
Obróbka cieplna i plastyczna nie zmieniają E jeśli nie zmienią struktury.

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

𝐸 ≈ (

𝑑𝐹

𝑑𝑎

)

𝑎

= 𝑡𝑔𝛼

Linie styczne w F = 0 świadczą o sztywności. Im większy kąt, tym większa sztywność, a im większa
sztywność (większe E), tym wyższa temperatura topnienia, bo rośnie siła wiązań.

4.4. Statyczna próba rozciągania

a) Umowna granica sprężystości – R

0,05

b) Umowna granica plastyczności – R

0,2

c) Wytrzymałość na rozciąganie - R

d) Wydłużenie względne – A
e) Przewężenie względne – Z

4.5. Twardość

- Bada się ją za pomocą wgłębnika
- Skala Mosha: 0 (talk) – 10 (diament)
- Podawana ze znakiem HB lub HV,
- Istnieje zależność między R

a twardością (stwierdzona empirycznie)

- Podawana w

𝑀𝑁

𝑚

4.6. Udarność

Jest to odporność na działanie naprężeń dynamicznych, bada się ją za pomocą Młota Charpy’ego.

STOPY:
a) struktura RSC A1

- ciągliwy typ przełomu

- dobra udarność

- niezależnie od T

b) struktura HZ A3

- kruche

- typ przełomu: pękanie

c) struktura RPC A2

- niska temperatura: kruche (pękanie)

- wysoka temperatura: ciągliwe (pękanie)

- jest to np. stal stopowa

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

4.7. Zmęczenie

Jest to pękanie materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń. Ze względu na
rodzaj materiału rozróżniamy dwa rodzaje zmęczenia:

a) stale – odporność zmęczeniową określamy przez naprężenie graniczne

Poniżej: przyjmujemy że nie ma zmęczenia

b) stopy nieżelazne – pęknie dla każdej siły, kwestia po jakim czasie

Jako miarę przyjmujemy największą amplitudę naprężeń dla N = 10

cykli

4.8. Pełzanie

Jest to odkształcenie plastyczne pod wpływem stałego obciążenia.
- istotne od 0,3 do 0,5 temperatury topnienia.

5. ZNAKOWANIE STALI

Stale dzielimy na:

- narzędziowe
- konstrukcyjne
- specjalnych zastosowań

5.1. SYSTEM STARY POLSKI

a) Wg parametrów wytrzymałościowych

np. St – stal węglowa
St3s – zwykła stal węglowa, s = spawanie, numery od 0 do 5, nie przekazują nic wprost

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

b) Wg składu

np. OH18N9T – najczęściej stosowana stal stopowa, 18% Chromu, 9% Niklu, <1% Tytanu

c) Oznaczenia międzynarodowe

np. 1.14217
stopy żelaza oznaczamy jako 1., stopy niklu jako 2.

5.2. SYSTEM NOWY POLSKI

a) stale węglowe o zawartości manganu <1%

np. C55 (stal o zawartości 0,55% węgla)
symbol C + 100*zawartość procentowa C

b) stale niestopowe o zawartości manganu = lub >1%
stale stopowe o zawartości pierwiastków (wszystkich) <5%

np. 55 NiCrMoV 6-2-2 (zawartość węgla 0,55%, najwięcej Ni najmniej V, 4 dodatki stopowe, 6-2-2 to
nie procenty!)

c) stale stopowe o zawartości przynajmniej 1 pierwiastka >5%

np. 5 CrNiMo 17-12-2 (zaw. węgla – 0,05%, 17% Cr, 12% Ni, 2% Mo

d) stale szybkotnące (automatowe)

zawsze mają 3,5-4,5% Cr, w zapisie podajemy ilość pierwiastków w określonej kolejności:
W-Mo-V-Co

Np. HS 18-0-1 (3 dodatki stopowe, 18% W, brak Mo, 1% V, obecny chrom!)

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

CZĘŚĆ 2. – POLIMERY

1. Poliuretany (PU)

- pianki
- powlekanie tkanin do uszczelniania
- farby
- uszczelki

2. Akronitryl butadien styren (ABS)

- należy do polimerów styrenowych

3. Poliamid
4. Polichlorek winylu (PCV)

- profile okienne
- rury kanalizacyjne
- worki na krew/kroplówkę
- worki na wysypiska śmieci

5. Polipropylen

- włókna
- skrzynki na butelki

6. Polibutadien

- w oponach

7. Polietylen

- torebki foliowe
- folie
- budowa: CH

-CH

-…

8. Polistyren

- spala się czarnym płomieniem
- w oponach
- pojemniki, pudełka spożywcze

9. Politereftalan etylenowy (PET)

- butelki plastikowe

10. PBT

- rurki na przewodach samochodowych

11. Żywice poliestrowe epoksydowe

- kompozyty
- jachty, łodzie
- epidian to inaczej epoksyd

12. Poliamid

- 12, 47, 66, 6
- 66 = kwas ma 6 węgli i glikol ma 6 węgli

- RCOOH + H

N-R

−𝐻

𝑂

→ RCON-R

13. Skróty polimerów:

PE - polietylen
PP - polipropylen
PVC, PCV – polichlorek winylu
PS - polistyren
PU - poliuretan
ABS – akronitryl butadien styren
PET – politereftalan etylenowy
PBT - polibutylen
PC - poliwęglan
SAN – styren akronitryl
PMMA – polimetakrylan metylu
PTFE – teflon (politetrafluoroeten)
PA – poliamid

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

Inż. materiałów – Szczygieł & Pigłowski, oprac. Justyna Skiberowska

Strona 9

14. Europejska skala polimeru

PVC – 11%, PS – 9%, PET – 4%

15. Termoplasty

- grupy polimerów. W warunkach termicznych przechodzą ze stanu szklistego w plastyczny i
można je formować. Jeśli je rozdrobnimy, otrzymamy przemiał i możemy je wykorzystać do
stworzenia nowego przedmiotu (np. doniczki wytwarza się z materiału pochodzącego z
recyklingu).

16. Kompozyty

- materiały składające się przynajmniej z dwóch składników, dwufazowe (np. kompozyt
poliestrowo-szklany w łodzi żaglowej). W kompozycie maksymalna wytrzymałość jest wtedy,
kiedy włókna są zapełnione, ponieważ wytrzymałość jest przenoszona przez włókna. Jesteśmy w
stanie uzyskać 60% udział włókien szklanych w kompozycie.

Faza
- część układu oddzielona od reszty granicą fazową.
Nanokompozyty
- grupa materiałów, w której podstawowe elementy struktury zintegrowane są na poziomie
nanometrów. W nanokompozytach polimerowych fazę ciągłą (matrycę) stanowi polimer.

Wypełniacze stosowane w nanokompozytach
a) materiały „zerowymiarowe” – sferoidalne monocząstki krzemionki lub modyfikowane fullereny
b) materiały „jednowymiarowe” – nanorurki (zastosowanie w materiałach konstrukcyjnych)
c) materiały „dwuwymiarowe” – 2 wymiary makro; warstwowe gliniokrzemiany (takie jak
montmorylonit; odległość płaszczyznowa w montmorylonicie zależy od wielkości jonu
międzywarstwowego, komórka elementarna jest mała, a sieć krystaliczna silnie zdefektowana)

Nanokompozyty na bazie warstwowych glinokrzemianów
- geometria napełniacza pozwala na osiągnięcie olbrzymiej powierzchni oddziaływań polimer-
wypełniacz

Zastosowanie nanokompozytów polimerowych:
- materiały konstrukcyjne (tworzywa o podwyższonej sztywności)
- przemysł motoryzacyjny (zewnętrzne elementy karoserii samochodowej)
- elektronika/elektrotechnika
- opakowania

Otrzymywanie nanokompozytów
1. Modyfikacja montmorylonitu
2. Organofilizacja glinokrzemianu
3. Zwiększenie przestrzeni międzypłaszczyznowych glinokrzemianu
4. Rozdział układu polimer-montmorylonit

Inżynieria materiałów i nauka o materiałach

Inż. materiałów – Szczygieł & Pigłowski, oprac. Justyna Skiberowska

Strona 10

a) Mikrokompozyty
b) Nanokompozyty

- interkalowane – polimer interkaluje do powierzchni glinokrzemianu,
- dyspersyjne

Od struktury materiału silnie zależą właściwości.

Obecność modyfikowanego montmorylonitu powoduje, że termolastyczne polimery podczas
spalania nie kapią.

Badanie struktury nanokompozytów:
- małokątowa dyfrakcja rentgenowska w mikrodomenach materiału
- klasyczna, proszkowa dyfraktometria rentgenowska

Organofilizacja - wymiana kationów sodu na kationy organiczne, powoduje, że w rozpuszczalniku
organicznym r-r łatwo dysperguje. Bentonit jest hydrofilowy – pobiera wodę.

17. Model Maxwella

Jest złożony z szeregowo połączonych elementów ciała idealnie sprężystego i
lepkiego.
Odkształcenie układu opisuje równanie:

𝑑𝛾

𝑑𝑡

1
𝜂

𝜏 +

𝐺

𝑑𝜏
𝑑𝑡

Działanie stałego naprężenia powoduje natychmiastowe odkształcenie sprężyste,
następnie układ zaczyna płynąć nieograniczenie w sposób liniowy w czasie t.
Po odjęciu obciążenia w układzie pozostaje stałe odkształcenie.

18. Jak powstaje obraz w mikroskopie elektronowym

Elektrony przebiegają wokół określonej materii, jak przechodzą przez polimer to widzą tylko
węgiel.

19. W polimerach:

- jak stopimy i schłodzimy, to potrzebne jest większe zarodkowanie, aby polimer wrócił do stanu
krystalicznego
Nukleanty – zarodki krystalizacji
Nukleacja – zarodkowanie
Sferolit – kulisty agregat utworzony przez igiełkowate kryształy wzrastające od wspólnego punktu
początkowego w sposób promienisty.

20. Odmiany

- alfa i beta
- w formie beta obserwujemy efekt piezoelektryczny.