Dr inż. Jerzy Bielanik
W-2. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW
MATERIAŁY INŻYNIERSKIE są wytwarzane przez człowieka
z surowców:
Podstawą przedstawionej klasyfikacji materiałów są rodzaje wiązań, jakie występują
pomiędzy atomami - a te z kolei wynikają z budowy elektronowej atomów pierwiastków
tworzących materiał.
METALE
Definicja chemiczna
Metale to pierwiastki, których tlenki w połączeniu z wodą tworzą wodorotlenki (zasady)
Na
2
O + H
2
O → 2NaOH
MgO + H
2
O → Mg(OH)
2
Sód i magnez są więc metalami
Niemetale to pierwiastki, których tlenki w połączeniu z wodą tworzą kwasy
SO
3
+ H
2
O → H
2
SO
4
Siarka jest niemetalem
Z punktu widzenia materiałoznawstwa za metal uważa się o
zbiór
atomów o szczególnej budowie elektronowej
, wykazujących w stanie
stałym uporządkowane rozmieszczenie w przestrzeni w postaci
s i e c i
kr y s t a l i c z n e j
. Siły wiążące występujące pomiędzy atomami metali
wynikają z
wiązania metalicznego
, które decyduje o szczególnych
właściwościach metali
.
P o d s u mu j my , w d e f i n i c j i me t a l i w y r ó ż n i a my c z t e r y e l e me n t y :
a) szczególną budowę elektronową atomów tworzących metal,
b) siły wiążące atomy (wiązanie metaliczne),
c) uporządkowane rozmieszczenie atomów w przestrzeni w postaci sieci krystalicznej,
d) własności stanu metalicznego.
METALE
POLIMERY
CERAMIKA
KOMPOZYTY
Dr inż. Jerzy Bielanik
Szczególna budowa elektronowa atomów metali:
na ostatniej nie zapełnionej powłoce występuje 1 bądź 2 elektrony walencyjne, a w
wyjątkowych przypadkach 3 a nawet 4 elektrony,
rozbudowywana jest powłoka d lub f,
Atomy pierwiastków metalicznych są więc elektrododatnie.
W przeciwieństwie niemetale są to pierwiastki elektroujemne i obojętne. Niektóre z nich
występują w grupach IIIa i IVa a wszystkie pozostałe w grupach od Va do VIIIa.
Siły występujące pomiędzy atomami pierwiastków metalicznych są wynikiem
elektrostatycznego oddziaływania pomiędzy dodatnio naładowanymi
rdzeniami atomowymi a ujemnie naładowanymi elektronami swobodnymi
(gazem elektronowym).
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
Model wiązania metalicznego
Dr inż. Jerzy Bielanik
Sieć krystaliczna metali
Metale w stanie stałym wykazują uporządkowane rozmieszczenie w przestrzeni w postaci
tzw. sieci krystalicznej (sieci przestrzennej).
Do opisu uporządkowania atomów, położenia ich w przestrzeni przyjmuje się układ
przestrzenny trzech osi:
x, y, z
. Początek układu lokalizuje się w dowolnym węźle, czyli
środku dowolnego atomu wchodzącego w zbiór tworzący rozpatrywany metal (kryształ).
Osie układu przechodzą przez środki najbliżej położonych atomów w ten sposób, aby kąt
pomiędzy osiami był prosty lub rozwarty. Powtarzające się odległości punktów na osiach,
które reprezentują środki atomów, nazywamy
translacjami
(periodami identyczności) i
oznaczamy odcinkami a, b, c.
X
Y
X
Y
Model płaski sieci krystalicznej
Układ krystalograficzny
Translacje: „a” na osi x,
„b” na osi y, „c” na osi z
oraz kąty: γ między osiami x i y,
β między osiami x i z,
α między osiami y i z wyznaczają układ krystalograficzny.
X
Y
Z
a
b
c
c
b
γ
β
α
Dr inż. Jerzy Bielanik
W zależności od symetrii kryształu (środka, osi i płaszczyzny symetrii)
rozróżnia się 7 układów krystalograficznych. Największym stopniem symetrii
charakteryzują się kryształy należące do układu regularnego (sześciennego).
Układ
krystalograficzny
Parametry układu
Typ komórki elementarnej
Symbol
komórki
Regularny
a = b = c
α = β = γ = 90
0
prymitywna
przestrzennie
centrowana
ściennie centrowana
P
J
F
Tetragonalny a = b ≠ c
α = β = γ = 90
0
prymitywna
przestrzennie
centrowana
P
J
Heksagonalny a = b ≠ c
α = β = 90
0
,
γ = 120
0
zwarcie wypełniona
Zw
Romboedryczny
(trygonalny)
a = b = c
α = β = γ ≠ 90
0
prymitywna
P
Rombowy
a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90
0
prymitywna
przestrzennie centrowana
ściennie centrowana
centrowana na
podstawach
P
J
F
C
Jednoskośny a ≠ b ≠ c
α = β = 90
0
≠ γ
prymitywna
centrowana na
podstawach
P,
C
Trójskośny
a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠90
0
prymitywna
P
Dr inż. Jerzy Bielanik
Komórki elementarne mogą być prymitywne, przestrzennie centrowane, płasko
(ściennie) centrowane i centrowane na podstawach.
Sieć krystaliczną wyznaczają komórki elementarne utworzone przez
powtarzający się układ atomów w przestrzeni.
Własności metali (stanu metalicznego):
nieprzezroczystość,
połysk metaliczny,
plastyczność,
dobrą przewodność cieplną i elektryczną,
ujemny temperaturowy współczynnik przewodności elektrycznej.
Dr inż. Jerzy Bielanik
Przykłady metali: potas, tytan, żelazo, miedź, stal, itd,
Przykłady niemetali: grafit, krzem, german.
Metale jako materiały inżynierskie
uzyskuje się w procesie metalurgicznym.
POLIMERY (tworzywa sztuczne lub plastyki),
są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków
C z H
oraz innych pierwiastków
niemetalicznych, jak:
N, O, F, Si.
Polimery, będące makrocząsteczkami, powstają w wyniku łączenia się prostych
cząsteczek, tzw. monomerów w łańcuchy
za pomocą wiązań kowalencyjnych
(atomowych).
Własności polimerów:
mała gęstość,
nie przewodzą prądu elektrycznego,
słabo przewodzą ciepło,
brak połysku,
zwykle są przezroczyste.
mer
monomer
Fragment prostoliniowego łańcucha polietylenu – cały łańcuch może zawierać ok. 50 000
jednostek monomerycznych.
Dr inż. Jerzy Bielanik
W skład polimerów wchodzą dodatki: barwniki, kotalizatory, napełniacze, zmiękczacze,
antyutleniacze i inne.
W zależności od składu podstawowej jednostki monomerycznej rozróżnia się następujące
rodzaje polimerów:
Podstawowa
jednostka
monomeryczna
Rodzaj polimeru
Zastosowanie
H H
Polietylen
butelki, folie
I
I
- C - C -
I
I
H H
H
H
Polichlorek winylu
wykładziny podłogowe, tkaniny,
powłoki
I
I
- C - C -
I
I
H
Cl
H
H
Polipropylen
folie, rury, pokrycia
I
I
- C - C -
I
I
H
CH
3
H
H
Polistyren
pojemniki, pianki
I
I
- C - C -
I
I
H
C
6
H
5
F
F
Teflon
produkty chemiczne, uszczelnienia,
łożyska, pieczęcie
I
I
- C - C -
I
I
F
F
H
Poliformaldehyd
twarde produkty, łożyska
I
- C - O -
I
H
H
H
Kopolimer:
styren + butadien
opony, listwy
I
I
- C - C -
I
I
H C
6
H
5
Dr inż. Jerzy Bielanik
Podział polimerów:
PLASTOMERY
Polimery, które w momencie zerwania
osiągają wydłużenie trwałe ok. 200%.
ELASTOMERY
Polimery, które są skłonne do dużych
odkształceń sprężystych.
Po rozerwaniu wykazują niewielkie
odkształcenia trwałe.
Do elastomerów zaliczają się
wszystkie rodzaje kauczuku,
poliizobutylen, niekiedy polietylen i
niektóre odmiany zmiękczonego
polichlorku winylu.
Elastomery mają zastosowanie do
wyrobu opon, uszczelnień, węży,
pasów, amortyzatorów, spodów
obuwia itp.
Dzielą się na:
1. polimery termoplastyczne (termoplasty), które
po nagrzaniu stają się plastyczne, a po
ochłodzeniu twardnieją.
Należą do nich: polietylen, polipropylen,
polichlorek winylu, polistyren, poliamidy,
poliwęglany, poliestry, kopolimery: etylen –
propylen, etylen – winyl, terpolimer:
akrylonikryl-butadien –styren ABS.
2. polimery utwardzalne (duroplasty)
2.1.termoutwardzalne – utwardzają się po
nagrzaniu. Należą do nich fenoplasty i
aminoplasty.
2.2.
Chemoutwardzalne – utwardzają się pod
wpływem utwardzaczy, jak np. żywice
poliestrowe i epoksydowe.
Materiały ceramiczne
Są to materiały nieorganiczne, wytwarzane w wysokotemperaturowych procesach z
udziałem
metali
i niemetali
(C, N, O, S, P)
. Pomiędzy składnikami przebiegają
nieodwracalne reakcje chemiczne.
Klasyfikacja materiałów ceramicznych:
ceramika inżynierska,
cermetale,
ceramika porowata,
szkła,
ceramika szklana.
Ceramika inżynierska
Ceramika inżynierska zwana również ceramiką drobnoziarnistą, wytwarzana jest w
wyniku spiekania w wysokiej temperaturze (bez udziału fazy ciekłej) bardzo czystych
związków, jak: tlenki (glinu, cyrkonu), węgliki (wolframu, tytanu, krzemu), azotki (boru,
tytanu, krzemu), diament.
Dr inż. Jerzy Bielanik
Zastosowanie ceramiki inżynierskiej:
Przemysł samochodowy i lotniczy: elementy turbin, osłony termiczne i uszczelnienia,
elementy osłony termicznej promów kosmicznych.
Wytwarzanie: narzędzia skrawające, elementy maszyn narażone na ścieranie i korozję,
ceramika szklana, włókna optyczne, światłowody.
Elektronika: półprzewodniki, izolatory, nadprzewodniki, lasery, dielektryki.
Wysoka temperatura: produkty ogniotrwałe, elementy grzewcze, elementy pieców,
armatura instalacyjna.
Medycyna: osprzęt laboratoryjny, protezy, materiały stomatologiczne.
Cermetale
Są złożone z drobnych cząstek krystalicznych węglików lub azotków zatopionych w
osnowie metalicznej stanowiącej lepiszcze o udziale masowym ok. 10%. Materiały te
zaliczane są również do kompozytów. Cermetale wytwarza się metodami metalurgii
proszków gdyż podlegają spiekaniu w temperaturze niższej od temperatury topnienia
każdego ze składników.
Ceramika porowata
W skład ceramiki porowatej wchodzą składniki krystaliczne (Al
2
O
3,
SiO
2
) otoczone fazą
szklistą utworzoną głównie z gliny, krzemionki, kwarcu, skalenia lub kaolinu.
Ceramikę porowatą stanowią masowo produkowane materiały budowlane, jak: cegła,
dachówka, płytki podłogowe, glazura, materiały ogniotrwałe stosowane do budowy
pieców przemysłowych i grzewczych, materiały stosowane w technice sanitarnej jak
kamionka oraz porcelana. Po wypaleniu i odprowadzeniu wody ceramika charakteryzuje
się około 10% porowatością.
Szkła
Pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną szkła zalicza się do
materiałów ceramicznych. Podstawowymi składnikami szkła są tlenki kwasowe SiO
2
,
B
2
O
3
, P
2
O
5
, tlenki arsenu, siarka, selen i fluorek ołowiu. W skład szkła wchodzą również
tlenki zasadowe Na
2
O, K
2
O MgO, CaO. Trzecią grupę składników szkła stanowią tlenki
pośrednie, jak glinu i berylu, które nie mogą samodzielnie utworzyć sieci przestrzennej
szkła.
Ceramika szklana
Uzyskuje się przez krystalizację (odszklenie) masy szklanej do postaci bardzo
drobnokrystalicznej, bez porowatości, z pozostałością nie więcej niż 2% fazy szklistej.
Krystalizację masy przeprowadza się na zarodkach Cu, Ag lub Au pod wpływem
promieniowania ultrafioletowego. Inną metodą uzyskiwania ceramiki szklanej jest
wprowadzenie katalizatorów, np. platynowców lub tlenku tytanu i stosowanie w miejsce
napromieniowywania obróbki cieplnej. Ceramika szklana cechuje się wysoką odpornością
na udary cieplne i wysoką żarowytrzymałością.