1.
Rodzaje materiałów i charakterystyka ich właściwości.
Klasyfikacja materiałów (ciał stałych) oparta na sposobie ułożenia atomów:
•
Struktura krystaliczna (np. metale) – wykazują uporządkowanie dalekiego zasięgu
(atomy lub cząsteczki ułożone są względem siebie w sposób regularny zachowując
wewnętrzną symetrię względem punktu, prostej i płaszczyzny); każdy atom ma jednakową
liczbę najbliższych i równoodległych sąsiadów; atomy są ułożone w okresowo
powtarzających się odstępach w trzech kierunkach. Charakteryzują się bardzo dobrymi
właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną i
cieplną oraz zróżnicowaną odpornością na korozję. Ponadto wykazują rozszerzalność
temperaturową, są nieprzezroczyste, połyskliwe. 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.
•
Struktura krystaliczno-amorficzna (np. materiały ceramiczne) – obszary
krystaliczne, wykazujące uporządkowanie dalekiego zasięgu, rozdzielone są obszarami
amorficznymi; stopień krystaliczności może dochodzić do 90%. 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 predystynują materiały ceramiczne do specjalnych zastosowań,
np. do wyrobu elementów żaroodpornych, elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych oraz jako
specjalne materiały narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).
•
Struktura amorficzna (np. polimery) – wykazują uporządkowanie bliskiego zasięgu
(atomy lub cząsteczki są rozmieszczone w sposób chaotyczny). 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 (organiczne związki węgla z
wodorem i tlenem). Aktualnie obserwuje się ogromny wzrost zastosowań tworzyw
sztucznych, coraz skuteczniej konkurujących z materiałami metalicznymi w zakresie
elementów maszyn i zdecydowanie wypierających metale i szkło w zakresie opakowań, albo
metale i drewno w zakresie elementów wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego. Jednym z
powodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych jest możliwość wydatnego powiększenia
ich cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np. włóknami metalicznymi lub
ceramicznymi (szkło, węgiel).
3. Podstawowe grupy materiałów inżynierskich i rodzaje występujących wiązań
międzyatomowych
.
Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających
ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.
Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:
- materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznej zastosowania,
- materiały inżynierskie, nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania
złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrze technicznych po
wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.
Przykładami materiałów naturalnych są: drewno, niektóre kamienie, skały i minerały.
Do podstawowych grup materiałów inżynierskich są zaliczane:
- metale i ich stopy,
- polimery,
- materiały ceramiczne,
- kompozyty
Rodzaje wiązań międzyatomowych:
•
wiązanie jonowe - powstaje, gdy reagują ze sobą pierwiastki znacznie różniące się
elektroujemnością. 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, co świadczy o kierunkowym
charakterze wiązania. Wiązanie jonowe jest spowodowane dążeniem różnych atomów do
tworzenia trwałych 8- elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych przez uwspólnienie
elektronów. Tak na przykład w przypadku tworzenia cząsteczki 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. Możemy to zapisać symbolicznie Na + Cl
⇒
Na+ + C1- Wiązanie to
oparte jest na przyciąganiu kulombowskim, jakie powstaje między dwoma przeciwnymi
ładunkami. Utworzona cząsteczka związku NaCl jest elektrycznie obojętna, ale ma
zaznaczone bieguny elektryczne (czyli jest dipolem), co umożliwia jej łączenie się z innymi
cząsteczkami i tworzenie kryształu.
•
wiązanie atomowe (kowalencyjne, homopolarne) - tworzy się między atomami o
średniej różnicy elektroujemności (niemetalami). 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. Energia
wiązania w diamencie wynosi 710 kJ/mol, a w SiC 1,18 MJ/mol. Wiązanie tworzy się
zgodnie z teorią Levisa-Kossela, na skutek dążenia atomów do tworzenia trwałych 2- lub 8-
elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych, dzięki powstawaniu par wiążących, których
liczba zależy od grupy układu okresowego N (reguła 8-N). Elektrony przechodzą od jednego
do drugiego atomu, zamieniając je w jony dodatnie, które są przyciągane przez elektrony
znajdujące się między nimi. Wiązanie to można przedstawić schematycznie następująco H. +
. H = H : H : Cl . + . C1: = Cl : Cl. W przypadku gdy łączą się różne atomy za pomocą par
elektronowych mamy do czynienia z wiązaniem atomowym spolaryzowanym. Kowalencyjne
niespolaryzowane – występuje między atomami o identycznej elektroujemności
(każdy z nich tak samo oddziałuje na wspólne elektrony) Na skutek różnego oddziaływania
elektronów z rdzeniami atomów powstają dipole i wiązanie ma wtedy charakter pośredni
między atomowym i jonowym. Nie jest to jednak regułą. W niektórych przypadkach (np. w
metanie CH4) symetryczny rozkład wiązań powoduje, że wypadkowy moment dipolowy jest
równy zeru. Istnieją związki (np. NH4), w których obydwa elektrony tworzące parę pochodzą
od tego samego atomu. W tym przypadku atom azotu może za pomocą wolnej pary
elektronowej przyłączyć dodatkowy jon H+. Takie wiązanie nazywa się koordynacyjnym.
•
wiązanie metaliczne - powstaje, gdy reagują ze sobą pierwiastki nieznacznie różniące
się elektroujemnością i oba są metalami. występuje między atomami metali w
skondensowanych stanach skupienia. Istota tego wiązania wynika z teorii swobodnego
elektronu. 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. Wielu
badaczy przyjmuje, że wiązanie metaliczne jest podobne do wiązania kowalentnego (Ormont,
Pauling). Na przykład w sodzie atomy po zbliżeniu mogą utworzyć wiązanie za pomocą pary
elektronów 3s o różnych spinach. Następne elektrony mogą przejść na poziom 3p, gdyż na
skutek hybrydyzacji ich energie są zbliżone. Muszą one jednak ulegać ciągłej wymianie z
sąsiednimi atomami. Można więc powiedzieć, że istota wiązania jest atomowa, chociaż jest
utrzymana, zakładana w teorii swobodnych elektronów, możliwość ich ruchu od atomu do
atomu. Stąd wiązanie metaliczne bywa traktowane jako nienasycone wiązanie atomowe (z
niedoborem elektronów), w którym duża liczba atomów jest połączona przez uwspólnienie
elektronów wartościowości. Są także znane inne teorie; np. Wignera i Seitza, umożliwiająca
wyliczenie wartości energii wiązań w metalach alkalicznych, nie sprawdza się jednak ona w
przypadku innych metali).
•
wiązanie van der Waalsa - 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.
4. Rodzaje tworzyw sztucznych i ich podstawowe własności
Tworzywa sztuczne – materiały składające się z polimerów syntetycznych (wytworzonych
sztucznie przez człowieka i niewystępujących w naturze) lub zmodyfikowanych polimerów
naturalnych oraz dodatków modyfikujących. Najściślejszym terminem obejmującym
wszystkie materiały zawierające jako główny składnik polimer, bez rozróżniania, czy jest on
pochodzenia sztucznego czy naturalnego, jest określenie „tworzywa polimerowe”.
Zalety tworzyw sztucznych:
- mała gęstość
- odporność na korozje
- łatwość przetwórstwa
- korzystna wytrzymałość właściwa
Wady:
- mała odporność na wysokie temperatury
- słabe właściwości mechaniczne
- powolny rozkład
Podział polimerów ze względu na pochodzenie głównego składnika:
- tworzywa sztuczne pochodzenia naturalnego np.:galalit, celuoid
- syntetyczne tworzywa sztuczne – w których podstawowy składnik jest substancją otrzymaną
na drodze syntezy organicznej
Syntetyczne tworzywa sztuczne można podzielić na trzy grupy:
a) Polimery termoplastyczne - miękną pod wpływem podwyższonej temperatury. Dzieje się
tak dlatego, że łańcuchy polimerowe mogą poruszać się względem siebie, a efekt ten staje się
coraz wyraźniejszy wraz ze wzrostem temperatury. Przykładem może być polistyren lub
polichlorek winylu (PVC).
b) duroplasty
- Polimery termoutwardzalne – występują tu wiązania porzeczne pomiędzy poszczególnymi
łańcuchami polimerowymi, uniemożliwiając ich przesuwanie się względem siebie. Dlatego
takie materiały, po uformowaniu określonego kształtu, stają się nietopliwe i nierozpuszczalne,
nieplastyczne w wyższych temperaturach. Do tego typu polimerów zaliczyć można bakelit i
żywice epoksydowe.
- polimery chemoutwardzalne, które pod wpływem określonych czynników chemicznych
usieciowują się przestrzennie, przy czym stają się nietopliwe i nierozpuszczalne.
c) Elastomery – tworzywa o dobrych właściwościach sprężystych. W skład tej grupy
wchodzą wszystkie związki gumo podobne, w tym guma. Podczas ich produkcji powstaje
ściśle określona ilość wiązań poprzecznych pomiędzy łańcuchami molekuł. W rezultacie
powstają materiały elastyczne, które można mocno rozciągać, używając stosunkowo
niewielkich sił i które powracają do pierwotnego kształtu po ustąpieniu siły rozciągającej.
5. Typowe procesy formowania tworzyw sztucznych:
•
Wtryskiwanie
Wtryskiwanie to proces cykliczny, w którym materiał wyjściowy w postaci granulek
lub krajanki, podany z pojemnika do ogrzewanego cylindra, uplastycznia się i
następnie jest wtryskiwany przez dyszę i tuleję wtryskową do gniazd formujących.
Tworzywo zestala się w nich, a następnie jest usuwane z formy w postaci gotowej
wypraski, po czym cykl procesu rozpoczyna się od nowa. Proces ten przeznaczony
jest głównie do przetwórstwa tworzyw termoplastycznych, lecz stosowany również do
przetwórstwa tworzyw termo - i chemoutwardzalnych
•
Wytłaczanie
Przez pojęcie wytłaczanie rozumie się ciągły proces otrzymania wyrobów lub
półwyrobów (w postaci profilów, płyt lub folii) z tworzyw polimerowych, polegający
na uplastycznieniu materiału w układzie uplastyczniającym wytłaczarki, a następnie
jego ukształtowaniu poprzez wyciskanie przez odpowiednio ukształtowany ustnik,
znajdujący się w głowicy. Osiąga się przy tym wydajności powyżej 1000 kg/h. Jako
materiał wyjściowy stosuje się tworzywa w postaci granulatu, proszku, płatków lub
wiórów.
Proces wytłaczania prowadzony jest w celu formowania i mieszania tworzywa.
formowania – uplastyczniony materiał na skutek dużego ciśnienia wytworzonego w
układzie uplastyczniającym wytłaczarki jest przeciskany przez odpowiednio
ukształtowany ustnik, który nadaje żądany kształt formowanemu tworzywu.
Do procesów formowania materiałów jednorodnych (np. czyste polimery) stosowane
są zwykle wytłaczarki jednoślimakowe (najtańsze). Do procesu wytłaczania tworzyw
wrażliwych termicznie (jak PVC) stosuje się również wytłaczarki dwuślimakowe
przeciwbieżne lub planetarne, natomiast do wytłaczania tworzyw modyfikowanych
oraz kompozytów polimerowych znajdują zastosowanie wytłaczarki dwuślimakowe
współbieżne.
•
Formowanie próżniowe
Formowanie próżniowe polega na ogrzaniu tworzywa do stanu wysokiej elastyczności
i nadaniu mu kształtu wyznaczonego formą za pomocą różnicy ciśnień, powstałej
dzięki wytworzonej próżni między folią czy płytą a formą. Stosuje się również
kształtowanie nagrzanej płyty czy folii za pomocą sprężonego powietrza lub też
ruchomego stempla. Najczęstsze zastosowanie tej metody formowania to
otrzymywanie wyrobów cienkościennych o dużej powierzchni z polistyrenu PS,
kopolimeru ABS, twardego PVC, polimetakrylanu metylu PMMA, polietylenu PE,
polipropylenu PP, celuloidu i octanów calulozy. Wyroby produkowane tą techniką to
w przeważającej większości opakowania, w formie wszelkiego rodzaju pojemników
otwartych, z reguły dzielonych w płaszczyźnie największego przekroju.
•
Prasowanie
Prasowanie jest technologią przetwórstwa głównie z grupy duroplastów mających
szczególne zastosowanie w wyrobach przemysłu elektrotechnicznego i przetwórstwie
tworzyw zbrojonych włóknami ciągłymi i matami. Technologia ta polega na
cyklicznym powtarzaniu następujących czynności:
- wprowadzaniu tworzywa do gniazda formującego
- kohezyjnym łączeniu ziarn lub częściej jego uplastycznianie
- stapianie
- utwardzanie bądź zestalanie
- wyjęcie przedmiotu z gniazda (tzw. wypraskę)
Warunki przetwórstwa tłoczywa są określone przez rodzaj żywicy i napełniacza. Poza
tym każdy typ tłoczywa posiada szereg cech zmiennych. Wpływają one na warunki
prasowania i własności przetwórcze tłoczywa i są to: płynność tłoczywa, wilgotność,
ciężar nasypowy.
•
Odlewanie
Odlewanie polega na wprowadzeniu tworzywa w stanie ciekłym lub plastycznym do
formy, następnie po zestaleniu tworzywa odlew wyjmowany jest z formy. Proces ten
może być przeprowadzony pod ciśnieniem lub bez stosowania ciśnienia.
Do wytwarzania odlewów można użyć:
· żywice ( poliestrowe, epoksydowe, fenolowe, mocznikowe, poliuretanowe,
akrylowe)
· roztwory polimerów w rozpuszczalnikach organicznych ( poliwęglan, octan i
ocantomaślan celulozy)
· pastę PCW
· różne monomery w stanie płynnym (polimeryzacja w formie np. PMMA)
•
Termoformowanie stemplem
Formowanie mechaniczne, czyli kształtowanie przez rozciągania stemplem, zwane też
tłoczeniem głębokim, polega na wciskaniu ukształtowanego stempla w płytę
tworzywa uprzednio ogrzanego do stanu wysokiej elastyczności. W metodzie tej
tworzywo mocowane jest na obrzeżu jak pokazano na rys. 14.
Formowanie poprzez rozciągania stemplem
6.Materiały kompozytowe charakterystyka, właściwości , zastosowanie
Materiał kompozytowy − materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej
komponentów (faz) o różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą,
czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi
lepiszcze, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a
drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności
mechanicznych kompozytu. Def skrypt Jest to materiał , który został stworzony sztucznie (
tzn. dzięki działaniu człowieka ,a nie przez naturę ), z co najmniej dwóch chemicznie różnych
materiałów ,których granica rozdziału zostaje w kompozycie zachowana i którego
właściwości różnią się od właściwo sic łączonych ze sobą komponętów w zależności od ich
udziału masowego lub objętościowego. Gł. składniki to osnowa (matryca) to materiał
wypełniający przestrzeń między elementami wzmacniającymi. Jego udział w kompozycie
wynosi średnio od 20 do 80% objętości. Osnowę mogą stanowić metale (grupa
kompozytów metalicznych) lub niemetale (grupa kompozytów polimerowych i
ceramicznych), wzmocnienie ( zbrojenie) .
W zależności od postaci zbrojenia (cząsteczki, włókna) wytworzony materiał kompozytowy
posiada strukturę (i właściwości) izotropową w przypadku zbrojenia cząsteczkami
równomiernie rozmieszczonymi w osnowie lub anizotropową dla kompozytów zbrojonych
włóknami. Właściwości kompozytów zależą też w dużej mierze od odległości
międzycząsteczkowych lub międzywłóknowych. Zmiany tych odległości mogą powodować
występowanie wysokich naprężeń lokalnych i stref naprężeń ściskających. Materiały
kompozytowe są stosowane nie tylko w celu zapewnienia odpowiednich własności
mechanicznych, lecz również elektrycznych, cieplnych, trybologicznych, związanych z pracą
w różnych środowiskach i innych Wiele elementów
wzmacniających zapewnia także dobrą przewodność cieplną i elektryczną oraz niższy
współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz/lub dobrą odporność na zużycie
.
Kompozyty mają zastosowanie jako materiały konstrukcyjne w wielu dziedzinach techniki,
m.in. w budownictwie (np. beton, żelbet), w technice lotniczej i astronautyce (np. elementy
samolotów, rakiet, sztucznych satelitów), w przemyśle środków transportu kołowego i
szynowego (np. resory i zderzaki samochodowe, okładziny hamulcowe), w produkcji części
maszyn, urządzeń i wyrobów sprzętu sportowego (np. łodzie, narty, tyczki, oszczepy).
Jeśli ktoś chce więcej poczytać o kompozytach :
http://kim.pollub.pl/student/Teoria25.pdf
http://forum.iios.pwr.wroc.pl/attachment.php?aid=1043
7 Materiały ceramiczne charakterystyka, właściwości , zastosowanie
Ceramik
ą
nazywamy nieorganiczne materiały niemetaliczne (krystaliczne i amorficzne), zło
one głównie ze związków metali i niemetali Al, Si, Ti, C, O, N, tworzących formy
przestrzenne o jonowych lub/i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych. Surowcem
do ich wytwarzania jest skale
(K
2
O
⋅
Al
2
O
3
⋅
6SiO
2
), glina (uwodnione glinokrzemiany,
takie jak: Al
2
(Si
2
O
5
)(OH)
4
, zmieszane z innymi obojętnymi chemicznie minerałami), kwarc
(SiO
2
), kaolinit (Al
2
O
3
⋅
2SiO
2
⋅
2H
2
O ), krzemiany, tlenki (np. MgO, Al
2
O
3
), azotki (np. TiN,
Si
3
N
4
), w gliki (np. SiC, TiC) oraz borki (np. TaB
2
).
Są to materiały mające właściwości :
•
wysoka wytrzymało na ciskanie znacznie większa od wytrzymało ci na rozciąganie,
•
wysoki moduł Younga
•
wysoka twardość i w związku z tym równie duża odporność na ścieranie,
•
kruchość
•
mniejsza w porównaniu z metalami gęstość ,
•
mała odporno na szybkie zmiany temperatury (szoki cieplne),
•
bardzo wysoka temperatura topnienia (2000-4000°C), i związana z tym odporno na działanie
wysokich (ale stałych) temperatur,
•
wysoka trwałość chemiczna i odporność na korozję ,
•
mała przewodność cieplna i elektryczna,
•
duża stabilność cieplna (odporno na pełzanie).
Materiały ceramiczne maj szerokie zastosowanie - począwszy od wyrobów garncarskich,
cegły, kafli, rur kanalizacyjnych, a do materiałów ogniotrwałych, elementów urządzeń
magnetycznych i elektrycznych oraz materiałów ściernych. Do ostatnich kilkudziesięciu lat
ceramika znajdowała niemal wyłącznie zastosowanie do wyrobu jako
ceramika techniczna
(porcelana na izolatory elektrotechniczne, czy na świece zapłonowe do samochodowych
silników benzynowych). W
ostatnich latach rozwinęła się ceramika techniczna o wysokiej jakości znajduj ca
zastosowanie do celów techniczno-przemysłowych, a więc do wyrobu narzędzi, elementów
maszyn i urządzeń , także protez; taka ceramika jest nazywana
ceramik specjaln
ą
lub
ceramik
zaawansowan
ą
.
Ceramika specjalna
jest wytwarzana poprzez spiekanie w wysokich temperaturach bardzo
czystych związków (otrzymanych syntetycznie) - takich jak: tlenki, azotki, węgliki - bez lub
z niewielkim udziałem fazy szklistej (amorficznej). W zależności rodzaju ich szczególnie
rozwiniętych właściwo ci dzieli się ją na:
•
Ceramika inżynierska (specjalna) — materiały wytworzone w wyniku spiekania w
wysokiej temperaturze (~1500÷2100°C) bardzo czystych, syntetycznych, drobnoziarnistych
proszków (wielkość ziaren poniżej 1µm), bez udziału fazy szklistej, z takich związków jak:
tlenki, węgliki, azotki, borki, fosforki i złożone związki na ich osnowie.
•
funkcjonaln
ą
,
dla której ważne są właściwości elektryczne, magnetyczne, optyczne,
termiczne a także biotolerancja
8. Kryteria doboru materiałów na konstrukcje inżynierskie
Podstawowym kryterium doboru materiału jest jego przeznaczenie i warunki pracy gotowego
wyrobu.
Muszą być przy tym spełnione następujące warunki:
materiał musi posiadać wymagane właściwości fizyczne i mechaniczne,
materiał można poddać określonemu procesowi technologicznemu, aby nadać mu postać o
wymaganym kształcie,
materiał i technologia muszą spełniać kryteria ekonomiczne, ekologiczne
Wymagania sztywne to te, które bezwzględnie muszą być brane pod uwagę, np.
dostępność danego materiału lub jego przydatność do określonej technologii wytwarzania
czy też minima właściwości.
Wymagania podrzędne obejmują właściwości, które mogą być podmiotem kompromisu
lub rozwiązań kompromisowych, czy alternatywnych. Dotyczy to często właściwości
mechanicznych, ciężaru właściwego, kosztu materiału
Czynniki wpływające na dobór materiałów inżynierskich
Wykresy doboru materiałów służą do ilościowej prezentacji właściwości materiałów i
mają następujące cechy: zakres wartości na osiach wykresu jest tak dobrany, aby objąć
wszystkie materiały inżynierskie, dane dla określonego rodzaju materiałów (np.
polimerów)skupiają się w pewnym obszarze wykresu, w obrębie pola zajmowanego na
wykresie przez każdy rodzaj materiału uwzględniono informacje dla reprezentatywnego
ich zbioru - zbiór ten składa się z materiałów najpowszechniej i najczęściej stosowanych,
wybranych tak, aby został objęty pełny zakres właściwości danej grupy.
Wykresy Ashbey’go:
PP – polipropylen
PEMG – polietylen o małej gęstości
PEDG – polietylen o dużej gęstości
PS – polistyren
PF – żywica fenolowo-formaldehydowa
EP – żywica epoksydowa
PW – poliwęglan
PU – poliuretan
PCV – polichlorek winylu
PMMA – poli(metakrylan metylu) (szkło
organiczne)
PTFE – politetrafluoroetylen (teflon)
PZWW – polimery z włóknami węglowymi
PZWA – polimery z włóknami aramidowymi
PZWS – polimery z włóknami szklanymi
PP – polipropylen
PEMG – polietylen o małej gęstości
PEDG – polietylen o dużej gęstości
PS – polistyren
PF – żywica fenolowo-formaldehydowa
EP – żywica epoksydowa
PW – poliwęglan
PU – poliuretan
PCV – polichlorek winylu
PMMA – poli(metakrylan metylu) (szkło
organiczne)
PTFE – politetrafluoroetylen (teflon)
PZWW – polimery z włóknami węglowymi
PZWA – polimery z włóknami aramidowymi
PZWS – polimery z włóknami szklanymi
PP – polipropylen
PEMG – polietylen o małej gęstości
PEDG – polietylen o dużej gęstości
PS – polistyren
PF – żywica fenolowo-formaldehydowa
EP – żywica epoksydowa
PW – poliwęglan
PU – poliuretan
PCV – polichlorek winylu
PMMA – poli(metakrylan metylu) (szkło
organiczne)
PTFE – politetrafluoroetylen (teflon)
PZWW – polimery z włóknami węglowymi
PZWA – polimery z włóknami aramidowymi
PZWS – polimery z włóknami szklanym
Orientacyjne koszty różnych grup materiałów odniesione do 1 kg materiału
Zależności uwzględnianie przy doborze materiału:
Materiał
Technologia
1. Moduł E - gęstość
2. Wytrzymałość - gęstość
3. K1c - gęstość
4. Moduł E - Wytrzymałość
5. Sztywność właściwa - wytrzymałość
właściwa
6. K1c - moduł E
7. K1c - wytrzymałość
8. Współczynnik stratności - moduł E
9. Przewodność cieplna - dyfuzyjność
cieplna
10. Rozszerzalność cieplna - przewodność
cieplna
11. Rozszerzalność cieplna - moduł E
12. Znormalizowana wytrzymałość -
rozszerzalność cieplna
13. Wytrzymałość - temperatura
14. Moduł E - względna cena
1. Pole powierzchni - grubość przekroju
1a. Powierzchnia - grubość przekroju
1b. Powierzchnia - grubość przekroju
2. Złożoność - masa
3. Wielkość (masa) - temp. topnienia
4. Twardość - temp. topnienia
5. Dokładność wymiarów - chropowatość
powierzchni
15. Wytrzymałość - względna cena
16. Zużycie cierne - ciśnienie
17. Moduł E - energochłonność właściwa
18. Wytrzymałość - energochłonność
właściwa
19. Odporność korozyjna
Zależności przedstawione w tabeli powyżej odczytuje się z wykresów Ashby’ego:
www.kp.pollub.pl/wykresy-ashby-ego.php
9. Budowa krystaliczna metali:
Metale, to ciała krystaliczne. Charakterystyczną cechą ich budowy jest uporządkowane
rozmieszczenie składowych elementów fizycznych (atomów lub grup atomów) w przestrzeni,
zgodne z określonymi regułami. Metale są ciałami polikrystalicznymi, tzn. złożone z
wielkiej liczby kryształów, zwanych też ziarnami, które — przy tej samej konfiguracji
atomów — różnią się między sobą ukierunkowaniem tej konfiguracji w przestrzeni. W
miejscu zetknięcia się dwóch kryształów powstaje granica ziarn.
Prawie wszystkie pierwiastki metaliczne tworzą kryształy należące do jednej z trzech sieci:
regularnej ściennie centrowanej (typ A1), regularnie przestrzennie centrowanej (typu A2) i
heksagonalnej zwartej (typ A3). Używane są również odpowiednie oznaczenia skrótowe:
RSC, RPC, HZ. W sieciach tych każdy atom ma dość dużą liczbę najbliższych
równoodległych atomów sąsiednich, przy czym liczba ta nazywana jest liczbą koordynacyjną
lk. Fakt ten jest konsekwencją wiązania metalicznego.
A1 - regularna powierzchniowo centrowana - fcc (face centred cubic) np. Cu
A2 - regularna przestrzennie centrowana - bcc (body centred cubic) np. W
A3 - heksagonalna ciasno upakowana - hcp (hexagonal close packed) np. Mg
Struktury A1 i A3 (fcc i hcp) są ze sobą blisko spokrewnione. Jeżeli A1 przetniemy
płaszczyzną (111) pojawi się w niej symetria heksagonalna
10. Rodzaje sieci krystalograficznych
11. Oznaczenie sieci krystalograficznych, płaszczyzn i kierunków krystalograficznych, wyznaczenia
wektorów Burgera.
Zasady wskaźnikowania elementów sieci krystalograficznej
10. Rodzaje sieci krystalograficznych
11. Oznaczenie sieci krystalograficznych, płaszczyzn i kierunków krystalograficznych, wyznaczenia
Zasady wskaźnikowania elementów sieci krystalograficznej
O [0 0 0]
A [1 0 0]
B [0 1 0]
C [0 0 1]
D [1 1 1]
E [1 1 0]
F [0 1 1]
G [1 0 1]
H [1/2 1 ½]
11. Oznaczenie sieci krystalograficznych, płaszczyzn i kierunków krystalograficznych, wyznaczenia
Oznaczanie kierunków krystalograficznych [uvw]
Powyższy zapis to rodzina kierunków kierunku <100>
Oznaczenie płaszczyzn krystalograficznych – wskaźniki Millera (hkl – trzy liczby całkowite, pierwsze
względem siebie)
Jeżeli płaszczyzna nie przechodzi przez początek układu współrzędnych, ale jest mu najbliższa to
odwrotności współrzędnych punktów przecięcia płaszczyzny z osiami, o ile są całkowite, stanowią
wskaźniki płaszczyzny.
Schemat wyznaczania wskaźników Millera:
Przykład:
Rozwiązanie:
Rodzina płaszczyzn równoległych ma takim sam wskaźnik Millera:
Struktura heksagonalna:
3 komórki heksagonalne. Kąt między a
1
i a
2
wynosi 120 stopni.
DEFEKTY LINIOWE
Wyznaczanie wektorów Burgera
WEKTOTY BURGERSA:
13. Anizotropia własności mechanicznych monokryształów i polikryształów metali – przyczyny
występowania
Anizotropia -zjawisko zależności właściwości materiału od kierunku badania
15. Dyslokacje, rodzaje, wielkości je charakteryzujacę
Dyslokacje – defekty liniowe, mają jeden wymiar znacznie większy w porównaniu z dwoma
pozostałymi (poprzecznymi). Dyslokacje różnią się orientacją, sposobem ich powstawania i
własnościami. Płaszczyzna po której przemieszcza się dyslokacja nosi nazwę płaszczyzny
poślizgu. Płaszczyzna i kierunek poślizgu tworzą tzw. system poślizgu. Poślizg zachodzi
najłatwiej na płaszczyźnie najgęściej upakowanej atomami.
Główny podział dyslokacji:
- dyslokacja śrubowa
- dyslokacja krawędziowa
Dyslokacje opisuje się za pomocą:
•Osi (linii) dyslokacji
(linia wzdłuż której kończy się dodatkowa płaszczyzna)
•Wektora Burgersa
Wektor Burgersa - wskazuje kierunek i wielkość przesunięcia atomów przy powstawaniu
lub ruchu dyslokacji. Wektor Burgersa jednoznacznie charakteryzuje dyslokację. Kierunek,
zwrot i wielkość wektora Burgersa można wyznaczyć za pomocą tzw. obwodu Burgersa.
Dyslokacja śrubowa:
Efektem dyslokacji śrubowej jest charakterystyczne zniekształcenie sieci kryształu polegające
na tym, że płaszczyzny atomowe prostopadłe do linii dyslokacji tworzą powierzchnię
śrubową, przy czym dyslokacja jest jej osią. W zależności od kierunku skręcenia płaszczyzn
atomowych dyslokacje mogą być prawo lub lewoskrętne.
Dyslokacja krawędziowa
Przemieszcza się po ściśle określonej płaszczyźnie poślizgu w kierunku działającego
naprężenia stycznego, równolegle do wektora Burgersa,
Najprostszym modelem dyslokacji krawędziowej jest kryształ, z którego usunięto lub do
którego wstawiono fragment płaszczyzny atomowej tzw.ekstrapłaszczyzny (rys.nr 1). W
miejscu ekstrapłaszczyzny powstają naprężenia ściskające, a pod nią rozciągające. Krawędź
ekstrapłaszczyzny jest dyslokacją krawędziową. Płaszczyzna prostopadła do
ekstrapłaszczyzny i przechodząca przez jej krawędź a-c stanowi płaszczyznę poślizgu tej
dyslokacji i działają w niej naprężenia styczne. Wzdłuż płaszczyzny poślizgu występuje
niezgodność w układzie atomów, gdyż ekstrapłaszczyzna wprowadza dodatkowy atom, który
nie ma dopowiednika poniżej niej. To znacznie ułatwia ścinanie kryształu wzdłuż
płaszczyzny poślizgu czyli poślizg.
W zależności od usytuowania ekstrapłaszczyzny można umownie rozróżniać dyslokacje
dodatnie (z ekstrapłaszczyzną skierowaną nad płaszczyznę poślizgu) lub ujemne ( z
ekstrapłaszczyzną skierowaną pod płaszczyznę poślizgu).
Rys nr 1
Sposoby ruchu dyslokacji:
Dyslokacje krawędziowe mogą się przemieszczać przez poślizg, gdy w płaszczyżnie poślizgu
występują naprężenia styczne oraz przez wspinanie, pod wpływem naprężeń normalnych do
ekstrapłaszczyzny (w odpowiednio wysokiej temperaturze). Dlatego wspinanie nazywa się
również dyfuzyjnym ruchem dyslokacji. Dyslokacje śrubowe mogą przemieszczać się tylko
przez poślizg, ale ze względu na możliwość poślizgu poprzecznego ich ruch nie jest
ograniczony do jednej tylko płaszczyzny poślizgu jak ma to miejsce w przypadku dyslokacji
krawędziowych.
Jak powstają dyslokacje?
Dyslokacje mogą powstawać w różny sposób:
-podczas wzrostu kryształu z cieczy lub pary,
-drogą kondensacji wakancji,
- w wyniku działania pól naprężeń wewnętrznych,
- na skutek rozmnażania się dyslokacji (w wyniku naprężeń zewnętrznych),
- poprzez heterogeniczne zarodkowanie.
Znaczenie dyslokacji:
- Od możliwości poślizgu dyslokacji zależy plastyczność metali.
- Mechanizm odkształcenia przez poślizg dyslokacji wyjaśnia różnicę między
obliczeniową a rzeczywistą wytrzymałością metali.
- Ograniczając ruch dyslokacji można kontrolować własności mechaniczne metali.
- Dyslokacje powstają podczas krystalizacji metali oraz mnożone są podczas
odkształcania plastycznego na zimno metali.
- dyslokacje powodują często umocnienia:
umocnienie – zjawisko wzrostu twardości i wytrzymałości oraz pogorszenia plastyczności,
jest ono wynikiem spiętrzeń dyslokacji przed przeszkodami (granice ziaren, wydzielenia
innych
faz, itd.)
A więc dyslokacje odgrywają zasadniczą rolę w procesie odkształcenia plastycznego metali,
a także przy ich umocnieniu. Poza tym są one ośrodkami nagromadzenia energii
odkształcenia, odgrywają rolę w dyfuzji, przemianach fazowych, korozji.
17. Granice ziarn, ich podział, energie granic
Granice ziaren- są to wewnętrzne powierzchnie graniczne oddzielające dwa kryształy o
takim samym składzie chemicznym, różniące się tylko orientacją krystalograficzną.
Pod względem stopnia dezorientacji, granice dzielimy na:
- granice szerokokątowe ( kąt dezorientacji > 15 stopni )
- granice wąskokątowe ( kąt dezorientacji < 15 stopni)
Granice takie interpretuje się na podstawie teorii dyslokacji jako pionowe uszeregowanie
jednoimiennych dyslokacji krawędziowych
Pod względem budowy ziarna, granice dzielimy na granice:
- daszkowe
łączy kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym równoległym do granicy.
- skrętne:
łączy kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym prostopadłym do granicy
Granice bliźniacze - są szczególnym przypadkiem granic szerokokątowych. Taka granica ma
najprostszą budowę i cechuje się niską energią (3 - 10 % energii granic ziarn). Powstają w
niektórych metalach podczas odkształcenia plastycznego, rekrystalizacji, przemian fazowych.
Tworzą się przy ściśle określonej dezorientacji, takiej że granica (płaszczyzna bliźniacza) jest
symetrycznie nachylona do określonej płaszczyzny krystalograficznej w obydwóch ziarnach.
Energia granic:
Energia granicy małego kąta zależy od kąta dezorientacji θ pomiędzy sąsiadującymi ziarnami,
aż osiągną wielkość granic dużego kąta. W przypadku granic nachylonych (daszkowych) ich
energia zależy od występowania dyslokacji charakteryzowanych przez wektor Burgersa i
wektor położenia linii dyslokacji. Energia granic ziaren małego kąta wzrasta wraz z zanikiem
dyslokacji.
W przypadku granic dużego kąta istnieje kilka teorii opisujących ich energię. Żadna jednak w
sposób pełny nie określa aspektów związanych z energią. Najbardziej rozbudowaną jest teoria
CSL. Zakłada się, że energia granic dużego kąta nie zależy od kąta dezorientacji θ za
wyjątkiem granic bliźniaczych.
18. rozrost ziarna, przebieg, zapobieganie
Rozrost ziaren odbywa się przez pochłanianie małych ziaren przez większe. Głownym
czynnikiem wpływającym na to zjawisko jest napięcie powierzchniowe na granicy ziaren,
związane z wyższą energią swobodną na granicach niż wewnątrz ziaren. Siła napędowa tego
procesu pochodzi z energii cieplnej, dlatego też rozrost ziaren następuje w wysokich
temperaturach. Najbardziej ruchliwe są niesprzężone granice szerokokątowe Ruch granic
odbywa się w kierunku środka ich krzywizn, ma charakter dyfuzyjny. Rozrost ziaren jest
selektywny, rozrastają się ziarna o liczbie boków większej niż sześć, pozostałe zostają
wchłaniane. Granice bliźniacze w tych warunkach nie przemieszczają się. Rozrost ziaren w
wysokich temperaturach hamowany jest przez atomy obce, wydzielenia innych faz (np.
węgliki, azotki) oraz przez nieciągłości materiału. ]
19. Znaczenie wielkości ziaren w przemianach fazowych, wpływ na właściwości
wytrzymałościowe
Reguła Halla-Petcha
R
e
=R
0
+k*d
-1/2
Gdzie R
0
to granica plastyczności monokryształu, k – stała materiałowa, d – umowna średnia
średnica ziarna.
Jak widać na powyższym wzorze, wzrost średnicy ziaren znacznie obniża swoją granicę
plastyczności, ponieważ granice ziaren blokują ruch dyslokacji. Zwiększa się również
odporność na obciążenia udarowe. Drobnoziarnistość poprawia własności wytrzymałościowe,
ponieważ granice ziaren mają wyższą wytrzymałość niż ich wnętrza. Ze względu na
własności wytrzymałościowe dąży się do produkowania materiałów o jak najmniejszych
ziarnach i dba się, by w czasie przemian cieplnych nie nastąpił ich niekontrolowany rozrost.
20. Sposoby uzyskiwania drobnoziarnistej budowy metali i stopów
-stosowanie dodatków stopowych, które obniżają skłonność do rozrostu ziarna (np. chrom,
wolfram, kobalt)
-szybkie chłodzenie metalu
-odpowiednia przeróbka plastyczna (w szczególności kontrolowane walcowanie)
-odpowiednia obróbka cieplna z wykorzystaniem przemian fazowych(wyżarzanie
normalizujące) lub z rekrystalizacją.
23. Energia swobodna, zależność od ciśnienia i temperatury, znaczenie w przemianach
fazowych.
Energia swobodna jest tym mniejsza im mniejsza jest energia wewnętrzna E i im większa jest
entropia S. Temperatura to czynnik kontrolujący, w niskich temperaturach trwałe będą stany o
małej energii wewnętrznej, a w wysokich czynnik entropowy będzie duży - prawdopodobne
stany o nie najmniejszej energii wewnętrznej. Energia wewnętrzna składa się z 2 części :
•
jednej, która może być zamieniona na pracę i jest miarą siły pędnej wszelkich
przemian oraz reakcji chemicznych - jest to energia swobodna F
•
drugiej, która objawia się tylko w postaci ciepła i dlatego jako przeciwieństwo jest
nazywana energią związaną TS
Energia swobodna jest więc różnicą między energią wewnętrzną a energią związaną. Energia
swobodna maleje ze wzrostem temperatury. Tym szybciej im większą wartość ma ciepło
właściwe układu. Zmniejszanie się energii swobodnej rozpoczyna się od punktu określającego
energię wewnętrzną układu w temperaturze zera bezwzględnego. W tej temperaturze energia
wewnętrzna jest równa energii potencjalnej i zależy od sposobu rozmieszczenia atomów. Ma
ona inną wartość dla stanu krystalicznego, a inna dla rozmieszczenia bezładnego. Krzywe
energii swobodnych opadają niejednakowo i przetną się w jakimś punkcie To, w którym
energie swobodne obu faz są jednakowe. W zakresie od O K do To mniejszą energię
swobodną ma faza krystaliczna - trwały stan stały. A od To trwały stan ciekły, gdyż ciecz ma
mniejszą energię swobodną.
34. Główne czynniki decydujące o przebiegu rekrystalizacji.
REKRYSTALIZACJI - proces przebiegający w materiale odkształconym plastycznie na zimno,
wtemperaturze wyższej niż zdrowienie, polegający na rozroście zarodków ziaren utworzonych w
czasie zdrowienia, aż do całkowitego przekrystalizowania zgniecionego materiału. Granice rosnących
ziaren migrują w stronę zgniecionej osnowy, pochłaniając dyslokacje i defekty punktowe. Przed
migrującym frontem rekrystalizacji znajduje się materiał zgnieciony z nadmiarem defektów sieci
krystalicznej, za frontem - materiał o strukturze pozbawionej nadmiaru defektów - o niższej energii
wewnętrznej.
CZYNNIKI GLOWNE:
Temperatura rekrystalizacji- temperatura, w której dany metal poddany
określonemu odkształceniu zrekrystalizuje się całkowicie w ciągu 1 godziny. Tym wyższa im niższy
stopień zgniotu.
Gniot krytyczny - po gniocie mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie zachodzi, ponieważ
odkształcenie było zbyt małe do wytworzenia zarodków rekrystalizacji