Materiałoznawstwo –
wykład 1
Henryk Adrian
Materiałoznawstwo –
wykład 1
Henryk Adrian
Polecane podręczniki
M. Blicharski – Wstęp do inżynierii
materiałowej
K. Przybyłowicz - Metaloznawstwo
Rodzaje materiałów
inżynierskich
Metale i ich stopy
Materiały ceramiczne i szkła
Polimery
Kompozyty
Metale i ich stopy
Spośród 103 pierwiastków – 80
metale
W praktyce inżynierskiej rzadko
wykorzystuje się czyste metale.
Szerokie zastosowanie znajdują ich
stopy.
Metale i ich stopy
Najbardziej popularne stopy to:
Żelaza – stale i żeliwa
Miedzi
- brązy i mosiądze
Aluminium – durale i siluminy
Niklu
Tytanu
Cechy metali i stopów
Duża sztywność
Ciągliwość (zdolność do odkształceń
trwałych)
Odporność na obciążenia dynamiczne
Dobre przewodnictwo cieplne
Dobre przewodnictwo elektryczne
Połysk metaliczny wypolerowanej
powierzchni
Cechy metali i stopów
Czyste metale mają niską wytrzymałość,
natomiast stopy mogą mieć bardzo wysoką
wytrzymałość. Wysoka wytrzymałość i
zadowalająca ciągliwość powoduje, że stopy
metali są szeroko stosowane do budowy
maszyn, urządzeń i konstrukcji przenoszących
znaczne obciążenia.
Wadą metali jest ich mała odporność
chemiczna i łatwość korozji
Materiały ceramiczne i
szkła
Tlenki lub związki chemiczne
metali z takimi pierwiastkami jak:
C, N, P i S
Podstawowe składniki materiałów
ceramicznych: Al
2
O
3,
SiO
2
, MgO, SiC
i Si
3
N
4
Materiały ceramiczne i szkła
podstawowe własności
Małe przewodnictwo cieplne i elektryczne
Mała ciągliwość i odporność na
obciążenia dynamiczne
Wytrzymałość i zdolność przenoszenia
obciążeń ściskających dość dobre
Duża odporność na korozję
Odporność na działanie wysokich
temperatur
Materiały ceramiczne i
szkła
Wysoka temperatura topnienia i
stabilność chemiczna powodują, że
materiały ceramiczne są dobrymi
materiałami ogniotrwałymi,
stosowanymi w budowie pieców
Materiały ceramiczne i
szkła
Wspólna cecha metali i ceramik w
skali atomowej to budowa
krystaliczna – regularne i
powtarzalne ułożenie atomów.
Niektóre materiały ceramiczne
mogą mieć strukturę
niekrystaliczną – materiały
amorficzne lub szkła
Materiały ceramiczne i
szkła
Dwuwymiarowy model budowy krzemionki
Krystalicznej
Niekrystalicznej
Materiały ceramiczne i
szkła
Najczęściej stosowane szkła
krzemianowe, np. okienne
(~72%SiO
2
oraz NaO i CaO).
Szkła są przezroczyste i odporne
chemicznie, dlatego są ważnymi
materiałami inżynierskimi
Polimery
Tworzywa sztuczne głównie związki
węgla i wodoru, mogą zawierać N,
F i S. Polimery zbudowane z
cząsteczek o długich łańcuchach,
utworzonych z merów. Liczba
merów w cząsteczce polimeru
zazwyczaj jest większa od 500.
Polimery - własności
Małe przewodnictwo cieplne i
elektryczne
Dość dobra odporność na korozję
Mała gęstość
Łatwość nadawania kształtów
Estetyczna wygląd i powierzchnia bez
dodatkowej obróbki wykańczającej
Polimery
Polimery termoplastyczne mają
wspaniałą ciągliwość,
formowalność i odporność na
obciążenia dynamiczne
Ciągliwość polimerów
termoutwardzalnych jest znacznie
gorsza
Wady polimerów
niska wytrzymałość mechaniczna
niska temperatura topnienia
ich własności zmieniają się szybko
z temperaturą w pobliżu
temperatury otoczenia
Niektóre polimery ciągliwe przy
20
o
C mogą być kruche przy 0
o
C.
Kompozyty
Składają się co najmniej z dwóch materiałów z
poprzednich trzech grup. Materiały składowe
mogą pochodzić z tej samej grupy lub różnych
grup.
Kompozyty wytwarzane przez człowieka
Przykład kompozytu wywarzanego: kompozyt z
włókien szklanych na osnowie polimeru
Kompozyty naturalne
Przykład kompozytu naturalnego: drewno
Kompozyty
Przez odpowiedni dobór materiałów
składowych można uzyskać kompozyty o
własnościach nieosiągalnych w
klasycznych grupach materiałów.
Produkowane obecnie kompozyty włókniste
należą do najbardziej zaawansowanych
materiałów inżynierskich. Są coraz szerzej
stosowane tam, gdzie liczą się tylko
własności a koszt jest mniej istotny
Zależności między procesem,
strukturą i własnościami
Dla zapewnienia odpowiednich
własności wyrobu wykorzystuje się
zależności pomiędzy procesem
wytwarzania, strukturą wewnętrzną i
własnościami materiału.
Zmieniając jeden z czynników –
zmieniamy dwa pozostałe. Dlatego
ważna jest znajomość zależności
pomiędzy nimi.
Własności
W warunkach obciążeń statycznych:
E
R
e
R
m
Odporność na pękanie
Twardość
Ciągliwość
Własności
W warunkach obciążeń dynamicznych
KV
Wytrzymałość na zmęczenie
Wytrzymałość na pełzanie
Proces-Struktura-
Własności
Własności
Własności określają zachowanie
materiału podczas eksploatacji
oraz zdolność do odkształceń
podczas nadawania kształtu.
Często małe zmiany struktury mają
duży wpływ na własności
mechaniczne materiału.
Struktura
Na poziomie atomowym – struktura
pojedynczego atomu lub grupy atomów
Struktura
Rozmieszczenie atomów w przestrzeni – atomy
ułożone w sposób regularny i powtarzalny – właściwy dla
stanu krystalicznego. Niektóre materiały ceramiczne i
większość polimerów nie mają uporządkowanego
ułożenia atomów
W materiałach krystalicznych istnieją defekty sieciowe
Struktura
Materiały krystaliczne zbudowane z ziarn
( najczęściej o średnicy 10-100m). Na tym poziomie
struktury, zwanej mikrostrukturą istotne są wielkość i
kształt ziarn. Można je kontrolować w procesie
wytwarzania
Struktura
Większość materiałów jest wielofazowa.
Kontrola przez zmianę składu
chemicznego, i procesu wytwarzania,
liczby faz, ich wielkości orza
rozmieszczenia pozwala uzyskać materiał
o żądanych własnościach
Proces
Z bezkształtnego materiału uzyskuje się
element o założonym kształcie i
własnościach. Często materiały po nadaniu
kształtu poddawane są obróbce cieplnej dla
wytworzenia odpowiedniej mikrostruktury
Typowe procesy wytwarzania
wyrobów
Metale
Odlewanie (do form piaskowych,
metalowych, odlewanie ciągłe metodą
wytapianych modeli)
Kształtowanie (obróbka plastyczna)
Łączenie (spawanie, lutowanie)
Obróbka skrawaniem
Metalurgia proszków
Typowe procesy wytwarzania
wyrobów
Ceramiki
Odlewanie (w odpowiednich
formach)
Zagęszczanie (wyciskanie,
prasowanie, formowanie izostatyczne)
Spiekanie (w wysokich
temperaturach)
Typowe procesy wytwarzania
wyrobów
Polimery
Formowanie (wtrysk, ściskanie w formach)
Kształtowanie (wyciskanie, kształtowanie
próżniowe)
Kompozyty
Odlewanie z infiltracją (ciecz otacza jedną z faz)
Kształtowanie (obróbka plastyczna)
Łączenie (adhezyjne, wybuchowe, dyfuzyjne)
Zagęszczanie i spiekanie
Oddziaływanie między strukturą,
własnościami i procesem
wytwarzania
Własności materiału są
warunkowane strukturą. Na
strukturę wpływają warunki
procesu.
Zmiany własności są realizowane w
procesie wytwarzania.
Struktura może ulegać zmianom
podczas eksploatacji