background image

1

PODSTAWY NAUKI O 

MATERIAŁACH

Wydział Inżynierii Mechanicznej i 

Robotyki

 

Wykładowca: dr hab. inż. Stanisław Dymek, prof. 

n. AGH

Budynek A2, pok. 15 parter

e-mail: gmdymek@cyfronet.krakow.pl

48 grup laboratoryjnych po ok. 15. studentów 

każda =

 ponad 700 studentów!!!

W jednym terminie 4 grupy = 

60 

studentów

background image

2

WYKŁADY

Wstęp: znaczenie nauki o materiałach, klasyfikacja 
materiałów, budowa materii, wiązania między atomami, 
podstawowe własności materiałów – 3 h

Struktura krystaliczna materiałów, defekty struktury 
krystalicznej, własności mechaniczne materiałów – 3 h

Mechanizmy umocnienia metali, mikrostruktura po 
odkształceniu plastycznym, zdrowienie i rekrystalizacja – 
3 h

Przemiany fazowe w stalach: kształtowanie 
mikrostruktury i jej wpływ na własności mechaniczne – 6 h

Niszczenie materiałów – pękanie materiałów: zmęczenie, 
pełzanie – 3 h

Metaliczne materiały konstrukcyjne: stopy żelaza i 
wybranych metali nieżelaznych – 3 h 

background image

3

Technologia - Mikrostruktura - 

Własności

Metoda

Wytwarzania

(przetwarzania)

Mikro-

-struktura

Własności

background image

4

LABORATORIUM

• Odkształcenie i rekrystalizacja metali (3 h – 

sala 609 B5

)

• Obróbka cieplna stali i badanie mikrostruktur 

stali obrobionych cieplnie (3 h – 

sala 17 A2

)

• Makroskopowa analiza mechanizmów 

zniszczenia materiałów (2 h – 

sala 57H A2

 )

• Umocnienie wydzieleniowe stopów aluminium 

(3 h 

sala 9H, A2

)

• Badania mikroskopowe stali i żeliw – 

podstawy metalografii (wyznaczanie wielkości 
ziarna, obliczanie zawartości węgla w stali na 
podstawie zawartości perlitu) (3 h – 

sala 3, 

A2

)

background image

Podstawowe zasady BHP w 

laboratorium ZMiMP

1. Wykonywanie czynności związanych z zajęciami tylko pod 

opieką prowadzącego lub na jego polecenie.

2. Włączanie i wyłączanie wszelkich urządzeń tylko na 

polecenie prowadzących.

3. Zachowanie szczególnej ostrożności przy piecach do 

obróbki cieplnej (ćwiczenia "Obróbka cieplna", "Umocnienie 
Wydzieleniowe" oraz "Zgniot i Rekrystalizacja").

4. Zachowanie szczególnej ostrożności przy kontakcie z 

odczynnikami chemicznymi (ćwiczenie "Zgniot i 
Rekrystalizacja")

5. Zakaz spożywania posiłków w pomieszczeniach 

laboratorium.

6. Obowiązek zachowania ładu i porządku na stołach 

laboratoryjnych.

7. Natychmiastowe informowanie prowadzącego o 

zagrożeniach.

8. Natychmiastowe informowanie prowadzącego o 

zaistniałych wypadkach.

9. Zakaz przechowywania ubrań wierzchnich w laboratorium.

background image

Wykaz grup laboratoryjnych

Grupa

Termin

Prowadzący

1, 4

Piątek 10:30 – 12:45

mgr G. Cempura

, dr J. Kowalska, dr M. 

Wróbel, dr A. Romański, dr J. Pieniążek

2, 3

Poniedziałek 11:00 – 

13:15

mgr P. Matusiewicz

, dr M. Witkowska, 

dr M. Wróbel, dr R. Dąbrowski, dr J. 

Pieniążek

5, 6

środa 15:30 – 17:45

dr J. Kowalska,

 dr M. Wróbel, dr  S. 

Gacek, dr T. Moskalewicz, mgr M. Pelczar

7, 8

środa 13:15 – 15:30

dr J. Kowalska, dr J. Pieniążek, 

dr A. Kokosza, dr T. Moskalewicz, 

dr M. 

Witkowska

9, 10

wtorek 18:00 – 20:15

dr M. Wróbel,

 mgr G. Cempura, dr T. 

Pieczonka, mgr M. Madej, dr J. Kowalska

11, 12

środa 18:00 – 20:15

dr J. Kowalska, 

mgr M. Pelczar,

 

dr S. Gacek, mgr M. Madej, dr R. 

Dąbrowski 

13, 14

czwartek 8:00 – 10:15

dr. S. Gacek,

 dr A. Kokosza, 

dr M. Wróbel, mgr G. Cempura, mgr P. 

Matusiewicz

Osoba podkreślona jest kierownikiem ćwiczeń

background image

Wykaz grup laboratoryjnych

Grupa

Termin

Prowadzący

15, 16

czwartek 16:30 – 

18:45

dr A. Romański,

 dr J. Pieniążek, mgr M. 

Pelczar, mgr G. Cempura, dr R. Dąbrowski

21, 22

czwartek 14:00 – 

16:15

dr A. Romański, 

dr M. Wróbel,

 dr J. 

Pieniążek, dr R. Dąbrowski, mgr G. 

Cempura,

23, 24

środa 8:00 – 10:15

dr M. Wróbel, dr J. Pieniążek, 

dr A. Kokosza, mgr P. Matusiewicz, 

dr R. 

Dąbrowski,

29, 30

czwartek 10:30 – 

12:45

dr. M. Witkowska, 

dr J. Pieniążek,

 mgr G. 

Cempura, mgr M. Pelczar, dr M. Wróbel,

31, 32

Poniedziałek 8:00 – 

10:15

dr M. Wróbel, dr A. Romański, dr J. 

Pieniążek, 

dr A. Kokosza,

 dr J. Kowalska,

Osoba podkreślona jest kierownikiem ćwiczeń

background image

Kierownicy ćwiczeń

8

Grupy

Kierownik

E-mail

1, 4

G. Cempura

cempura@agh.edu.pl

2, 3

P. Matusiewicz

matus@agh.edu.pl

5, 6

J. Kowalska

jkowal1@interia.pl

7, 8

M. Witkowska

m.witkow@interia.pl

9, 10

M. Wróbel

mwrobel@agh.edu.pl

11, 12

M. Pelczar

pelczar@agh.edu.pl

13, 14

S. Gacek

gacek@agh.edu.pl

15, 16

A. Romański

aromansk@agh.edu.pl

21, 22

M. Wróbel

mwrobel@agh.edu.pl

23, 24

R. Dąbrowski

robertdab@op.pl

29, 30

J. Pieniążek

japieniazek@gmail.com

31, 32

A. Kokosza

akokosza@agh.edu.pl

background image

9

Podręczniki

• M. Blicharski

 – Wstęp do inżynierii 

materiałowej, wyd. WNT 2003 

• M.F. Ashby, D.R.H. Jones

 – Materiały 

inżynierskie 1 i 2, wyd. WNT1995 

background image

10

Wiadomości wstępne

 

Czym zajmuje się  

nauka o materiałach?

związek 

pomiędzy 

stukturą

 

(mikrostrukturą)

 i 

własnościami

Czym zajmuje się  

inżynieria materiałowa?

Projektowanie 

 

mikrostruktury

 w celu uzyskania konkretnych 

(przewidzianych) 

własności

Główne zadanie:

 

wybór właściwego materiału spośród tysięcy

background image

11

Nauka o materiałach - Wstęp

Usytuowanie nauki o 
materiałach między 
innymi dyscyplinami 
nauki

background image

12

Proces doboru materiału

Proces określa kształt, wielkość, dokładność wykonania i 
oczywiście 

koszt

 wyrobu. Oddziaływanie jest w obu 

kierunkach. Wybór kształtu ogranicza zakres materiałów i 
procesów, natomiast wybór procesu ogranicza zakres 
materiałów i kształtów.

Funkcja

 wywiera 

zasadniczy wpływ na dobór 

materiału

 i 

kształtu

Dobór 

procesu

 jest zależny 

od własności materiału, t.j. 
od jego formowalności
skrawalności
spawalności
obrabialności cieplnej itd.

background image

13

Materiały inżynierskie

background image

14

Materiały – rys historyczny

Materiały były i są 
siłą napędową 
rozwoju 
społeczeństw:

Epoka Kamienia

Epoka Brązu

Epoka Żelaza

Co teraz?
 
Epoka Krzemu? 
Epoka Polimerów?
Epoka 
nanomateriałów?

background image

15

Materiały – rys historyczny (c.d.)

background image

16

Projektowanie inżynierskie c.d.

• pierwotne procesy 

kształtowania,

 np. 

odlewanie, kucie, 
obróbkę ubytkową 
(skrawanie, wiercenie),

• procesy 

wykończeniowe,

 np. 

polerowanie,

• procesy łączenia,

 np. 

spawanie.

Materiał i proces nie mogą być 
dobierane niezależnie od doboru 
kształtu

Między funkcją, materiałem, 
procesem i kształtem 
występują wzajemne 
zależności

background image

17

17

Rodzaje Procesów

background image

18

18

Rodzaje Procesów

background image

19

Koszt różnych grup materiałów

background image

20

WŁAŚCIWOŚCI

• Mechaniczne
• Elektryczne
• Cieplne
• Magnetyczne
• Optyczne
• Odpornościowe

Własność

 – 

Wszystkie materiały poddane zewnętrznym 

bodźcom reagują na określony bodziec, np.:
Siła                         odkształcenie, zniszczenie
Światło                   odbicie, absorbcja

Uwaga:

 

własności są niezależne od kształtu i 

wymiarów

background image

21

METALE

• Stosunkowo duża gęstość
• Sztywne
• Wytrzymałe (Mocne)
• Plastyczne (Ciągliwe), ale łatwe do 

umacniania

• Odporne na pękanie
• Dobre przewodniki prądu i ciepła
• Nieprzeźroczyste dla światła
• Niektóre są magnetyczne
• Mało odporne na korozję

background image

22

Inżynieria materiałowa - metale

charakterystyczne 
elementy 
mikrostruktury

skala wielkości

własności związane z 
tymi elementami 

background image

23

CERAMIKI i SZKŁA

• Stosunkowo sztywne
• Wytrzymałe
• Bardzo twarde
• Niezwykle kruche
• Izolatory dla prądu i ciepła
• Odporne na wysoką temperaturę
• Mogą być przeźroczyste lub nie
• Odporne na korozję
• Odporne na ścieranie

Związki chemiczne 
pomiędzy metalami i 
niemetalami

background image

24

POLIMERY

• Mała gęstość
• Mniejsza sztywność i wytrzymałość niż 

metale

• Niektóre mogą być plastyczne
• Łatwo formowalne nawet na skomplikowne 

kształty

• Odporne na działanie wielu chemikaliów
• Małe przewodnictwo elektryczne i cieplne
• Miękną i rozkładają się w podwyższonej 

temperaturze

• Mogą być przeźroczyste
• Wyjątkowo mały współczynnik tarcia

background image

Inżynieria materiałowa -

25

ceramiki i szkła

polimery

Ashby

background image

26

PRZYKŁADY  POLIMERÓW

• Polietylen (PE)
• Nylon
• Polichlorek winylu 

(PCV)

• Poliwęglan (PC)
• Polistyren (PS|)
• Guma

background image

27

OPAKOWANIA NA NAPOJE

ceramiczne (szkła)

polimerowe 
(plastikowe)

metalowe (aluminiowe)

Wymagania materiałowe:

• stanowi przeszkodę dla dwutlenku 

węgla, który jest pod ciśnieniem

• nie jest toksyczny i nie reaguje z 

napojem

• powinien wytrzymać upadek z pewnej 

niewielkij wysokości

• nie powinien być drogi i podatny na 

nadawanie kształtów

• jeżeli jest przeźroczysty, to jego 

przeźroczystość powinna być trwała

• możliwość produkcji w różnych 

kolorach lub łatwość nakładania 
etykiet

background image

28

TYPOWE MATERIAŁY

background image

Temperatura „pracy”

•  150

o

C  - silniki chłodzone wodą

•  300

o

C  - silniki chłodzone powietrzem

•  700

o

C  - silniki odrzutowe wentylatorowe

• 1100

o

C - silniki turboodrzutowe

29

• lata trzydzieste XX w.

-

 

 50

o

C

• II wojna światowa

-

 100

o

C

• współczesny myśliwiec

-

 

500

o

C

• prom kosmiczny

-

1100

o

C

• prototyp samolotu 

stratosferycznego

-

1600

o

C

Temperatura silnika

Temperatura kadłuba

background image

Materiały w silniku samolotu

30

background image

31

Zastosowanie różnych 

materiałów we współczesnym 

samochodzie

background image

32

WŁASNOŚCI MECHANICZNE

• Wytrzymalość
• Sztywność
• Twardość
• Ciągliwość 

(Plastyczność)

• Odporność na pękanie 

i wiązkość

• Odporność na zużycie 
• Odporność na 

zmęczenie

• Odporność na 

pełzanie

Istotne, gdy do materiału 
przykłada się siłę

background image

33

Przewodnictwo Elektryczne

Materiały ze względu na zdolność do przewodzenia 
prądu dzieli się na: 
przewodnikipółprzewodniki i izolatory 
(dielektryki).

background image

34

WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE

•  

Opór elektryczny miedzi:

•  

Dodatek atomów 

“zanieczyszczeń”

 do Cu – wzrost 

oporności

•  

Odkształcenie plastyczne – wzrost 

oporności

Zależność oporności 
elektrycznej od 
temperaturey dla 
stopów miedzi z 
niklem, jeden ze 
stopów był 
odkształcony 
plastycznie.
Wzrost temperatury, 
zanieczyszczeń lub 
odkształcenie zwiększa 
oporność.

T (°C)

-200

-100

0

Cu +

 3.3

2 at

%N

i

Cu +

 2.1

6 at

%Ni

Odk

szta

łc. C

u +

 1.1

2 at

%Ni

1

2

3

4

5

6

O

p

o

rn

o

ść

, 

 

(1

0

-8

 O

h

m

-m

)

0

Cu +

 1.1

2 at

%Ni

“Czy

sta”

 Cu

background image

35

WŁASNOŚCI CIEPLNE

Przewodnictwo cieplne Cu:
- zmniejsza się, gdy dodamy 
Zn! 

 

Zawartość Zn, % mas.

Pr

ze

w

o

d

n

ic

tw

o

 

ci

e

p

ln

e

 (W

/m

-K

)

400

300

200

100

0

0

10

20

30

40

Pojemność cieplna (ciepło 
właściwe)

lód

Przewodnictwo cieplne λ jest miarą szybkości 
z jaką ciepło płynie przez materiał, gdy jego 
jedna strona jest gorąca a druga zimna. 
Zmienia się w przedziale pięciu rzędów 
wielkości, co jest w ostrym kontraście do 
przewodności elektrycznej - 

zakres 25 

rzędów wielkości

.

background image

36

WŁASNOŚCI CIEPLNE

Płytka z promu kosmicznego: włókna 
krzemowe, 

niezwykle małe przewodnictwo 

cieplne.

Kostka z włókien 
krzemowych nagrzana do 
1250°C, w kilka sekund 
po wyjęciu z pieca może 
być trzymana w gołych 
rękach! Początkowo 
przepływ ciepła jest 
szybki, lecz 
przewodnictwo cieplne 
jest tak małe, że dopływ 
ciepła z wnętrza jest 
niezwykle wolny

background image

WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE

37

 paramagnetyki,

∙ diamagnetyki
∙ ferromagnetyki,

Pole magnetyczne nie ma istotnego wpływu na 
większość materiałów. 

Pętla histerezy

background image

38

WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE

Przenikalność 
magnetyczna

     vs. 

Skład chemiczny

:

Dodatek  3% Si sprawia, że Fe 
jest lepszym materiałem 
magnetycznym!

Schemt zapisu i odczytu 
informacji z użyciem nośnika 
magnetycznego.

 

Zapis magnetyczny

:

Pole magnetyczne

M

a

g

n

e

ty

za

cj

a

Fe+3%Si

Fe

background image

39

Tlenek aluminium może być 
przeźroczysty, półprzeźroczysty 
lub nieprzepuszczający światła. 

monokryształ

polikryształ:
mała porowatoś

ć

polikryształ:

duża porowatość

WŁASNOŚCI OPTYCZNE

Własności optyczne materiałów 
są rezultatem ich oddziaływania z 
promieniowaniem w postaci fal 
elektromagnetycznych - fotonów.

background image

40

Wykresy Własności Materiałów

Wykres słupkowy modułu Younga. Ilustruje 

różnice w sztywności pomiędzy rodzinami 

materiałów

background image

41

Wykresy Własności Materiałów

Wykres "obwiedniowy" modułu Younga i gęstości. 

Rodziny materiałów zajmują określone powierzchnie

background image

42

Wykresy własności materiałów

background image

43

np:  twardość od mikrostruktury stali

 

Własności  

zależą od 

mikrostruktury

 

 
 
 

 
 

 

Proces 

może zmienić 

mikrostrukturę

 

Struktura, Technologia & 

Własności

Tw

a

rd

o

ść

 (

B

H

N

)

Szybkość chłodzenia (ºC/s)

100

200

300

400

500

600

0.01 0.1

1

10 100 1000

(d)

30

 

m

(c)

4

 

m

(b)

30

 

m

(a)

30

 

m


Document Outline