Download
1 / 418
5.2k likes | 7.92k Views
MATERIAŁOZNAWSTWO. Prowadzący: dr hab. inż. Marek Szkodo Pok. 218. TEMATY WYKŁADÓW. Charakterystyka ciał stałych Struktura materiałów Defekty struktury Budowa stopów metali Układy równowagi fazowej Układ równowagi żelazo-węgiel Technologie wytwarzania materiałów
E N D
MATERIAŁOZNAWSTWO Prowadzący: dr hab. inż. Marek Szkodo Pok. 218
TEMATY WYKŁADÓW • Charakterystyka ciał stałych • Struktura materiałów • Defekty struktury • Budowa stopów metali • Układy równowagi fazowej • Układ równowagi żelazo-węgiel • Technologie wytwarzania materiałów • Obróbka plastyczna tworzyw metalowych • Obróbka cieplna tworzyw metalowych • Właściwości materiałów • Degradacja materiałów • Stopy żelaza • Stopy metali nieżelaznych • Tworzywa niemetalowe
ZASADY ZALICZENIA • Pytania egzaminacyjne: www.pg.gda.pl/~kkrzyszt/kim • Egzamin zerowy, termin pierwszy i poprawkowy • 10 pytań – 45 minut • Zasada minimum 50% • Ściąganie: nie zaliczenie w danym terminie, 0,5 oceny niżej na następnym
CHARAKTERYSTYKA CIAŁ STAŁYCH • Materia i jej składniki • Główne grupy materiałów inżynierskich • Dobór materiałów • Pojęcie inżynierii materiałowej
Cząstki elementarne materii • Ponad 300 cząstek, złożonych z 6 kwarków i 6 leptonów • Najważniejsze: elektrony i neutrina (leptony), protony i neutrony (nukleony) • Atomy: jądra i elektrony • Pierwiastki chemiczne: zbiory atomów o jednakowych ładunkach jąder
Budowa atomu • Liczba masowa: liczba nukleonów w jądrze • Masa atomowa: stosunek średniej masy atomu do masy 1/12 atomu C12 • Układ okresowy: gazy szlachetne, metale alkaliczne i ziem alkalicznych, metale przejściowe, metale ziem rzadkich, aktynowce, pierwiastki amfoteryczne, niemetale
Materiałoznawstwo a inżynieria materiałowa • Materiałoznawstwo – nauka o materiałach (budowie, właściwościach i metodach badań). • Inżynieria materiałowa – nauka o kształtowaniu właściwości materiałów przez zmianę struktury.
Metale i ich stopy Opony ze stalowym kordem Beton zbrojony Cermetale Kompozyty CFRP GFRP Polimery Ceramiki i szkła Polimery z wypełniaczami Grupy materiałów cd.
Właściwości Wynikające ze struktury materiału Uwarunkowane czynnikami zewnętrznymi związanymi z produkcją Mechaniczne właściwości objętościowe Cena i dostępność Projektowanie Cechy produkcyjne, łatwość wytwarzania, łączenia Niemechaniczne właściwości objętościowe Walory estetyczne, wygląd, faktura powierzchni Właściwości powierzchni Projektowanie inżynierskie
C [ tona/rok] C0 Czas t [ lata] t0 t Pole = zużycie pomiędzy t0 i t Zużycie materiałów r – przyrost procentowy w roku C0 – szybkość zużycia dla t=t0 Czas podwojenia zużycia tD otrzymamy przyjmując C/C0=2 Dla stali r = 3,4% to tD~20 lat Dla aluminium r = 8% to tD~9 lat Dla polimerów r = 18% to tD~4 lat
Złoża zidentyfikowane Złoża niezidentyfikowane Złoża perspektywiczne Złoża dostępne Opłacalne Próg opłacalności wydobycia Ulepszona technologia wydobycia Malejąca opłacalność Nieopłacalne Całość złóż Rosnąca niepewność geologiczna Schemat McElveya
Wiązania pomiędzy atomami Dwa czynniki wpływają na właściwości materiałów • Siły które utrzymują atomy razem – siły międzyatomowe • Sposób ułożenia atomów
Wiązania pomiędzy atomami cd. • Wiązania pierwotne (silne, rozrywają się topią w temp. 1000 – 5000K) • Jonowe • Kowalencyjne • Metaliczne • Wiązania wtórne (słabe, rozrywają się topią w temp. 100 – 500K) • Van der Vaalsa • wodorowe W ceramikach i metalach atomy są utrzymywane jedynie przez wiązania pierwotne dlatego mają one wysokie wł. mechaniczne
+5,14eV -4,02eV Cl Na+ Krzywa sił odpychających U Pojedyncze jony np. Na+ atomy np. Na 0 +11 Krzywa przyciągania elektrostatycznego +17 r r0~1 nm r Wiązania jonowe
H H H2 C C C C C C C C C C C C C C C C Wiązania kowalencyjne • Występują w czystej formie w diamencie, Si czy Ge Diament- uwspólnione elektrony zajmują obszary rozciągające się ku narożom czworościanu, prowadząc do powstania kierunkowych wiązań
Wiązania metaliczne Jony metali Gaz swobodnych elektronów
_ _ + + Przypadkowy dipol pierwszego atomu Indukowany dipol drugiego atomu Wiązania wtórne – Van der Vaalsa Są wynikiem dipolowego przyciągania pomiędzy atomami obojętnymi elektrycznymi
Wiązania wodorowe Atom tlenu Atom wodoru Każdy atom H oddaje swój elektron najbliższemu atomowi O. Dodatnio naładowany jon H działa jak wiązanie mostkowe pomiędzy sąsiednimi jonami tlenu, częściowo dzięki temu, że przegrupowanie ładunku powoduje powstanie momentu dipolowego w każdej cząsteczce H2O (co powoduje przyciąganie innych dipoli H2O Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej odległości wzajemnej, dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda
Podstawowe grupy materiałów • Materiały: ciała stałe o właściwościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów • Materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu • Materiały inżynierskie: tworzywa metalowe, tworzywa ceramiczne, polimery, kompozyty
Rodzaje wiązań między atomami występującymi w podstawowych grupach materiałów inżynierskich
Charakterystyka metali • Tworzywa metalowe charakteryzują się wiązaniem metalicznym • Stopy metali: układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, o przewadze wiązania metalicznego
Właściwości metali i stopów • Dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne • Dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności • Połysk metaliczny • Plastyczność
Procesy technologiczne metali i stopów • Otrzymywanie z rud procesami metalurgii • Otrzymywanie elementów metalowych: odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, metalurgia proszków • Kształtowanie właściwości: obróbka cieplna • Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria powierzchni (warstwy wierzchniej)
Podstawowe stopy metali • Stopy żelaza z węglem: stale, staliwa, żeliwa • Metale nieżelazne i ich stopy
Charakterystyka ceramik • Ceramiki: materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach • Wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach nieodwracalnych • Materiały ceramiczne: ceramika inżynierska, cermetale, ceramika porowata, szkła, ceramika szklana
Właściwości materiałów ceramicznych • Bardzo wysoka wytrzymałość • Twardość • Kruchość (plastyczność bliska zeru) • Niezdolność do poddawania obróbce cieplnej i plastycznej
H H H H H H H H itd. C C C = C C C C C H H H H H H H H Układy atomów w polimerach Polimery są olbrzymimi, łańcuchowymi cząsteczkami, w których atomy są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi. Taki łańcuchowy szkielet jest zwykle zbudowany z atomów węgla np. polietylen. Otrzymuje się go dzięki katalitycznej polimeryzacji etylenu:
Atomy wodoru Atomy węgla Układy atomów w polimerach W wielu polimerach łańcuchy są ułożone przypadkowo, a nie wg. regularnego trójwymiarowego wzoru są zatem niekrystaliczne czyli amorficzne. W innych polimerach łańcuchy mogą układać się jedne na drugich „w tę i z powrotem”. Taka powtarzalność prowadzi do krystaliczności polimeru.
Charakterystyka polimerów • Materiały organiczne złożone ze związków węgla • Makrocząsteczki powstałe w wyniku połączenia monomerów • Tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem barwników, pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy
Schemat prostoliniowego odcinka typowego łańcucha polietylenu (cały łańcuch może zawierać 50 000 podstawowych jednostek monomerycznych)
Właściwości polimerów • Niska gęstość • Właściwości izolacyjne • Słabe odbicie światła • Duża odporność chemiczna • Ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej
Na fioletowo zaznaczono pierwiastki tworzące polimery a na różowo materiały ceramiczne
Podstawowe grupy polimerów • Plastomery: polimery o wydłużeniu przy rozerwaniu do 200%; termoplasty i duroplasty (utwardzalne) • Elastomery: polimery o skłonności do dużych odkształceń sprężystych
Otrzymywanie polimerów • Polimeryzacja (łączenie monomerów bez reszty) • Kopolimeryzacja i poliaddycja (łączenie co najmniej dwóch różnych monomerów) • Polikondensacja (łączenie monomerów z wydzieleniem produktu ubocznego)
Charakterystyka kompozytów • Podział ze względu na osnowę: metalowe, ceramiczne i polimerowe • Wzmocnienie (zbrojenie): proszek, krótkie włókna lub płatki, długie włókna
