Wykład 1 - Technologie wytwarzania żelaza i stali

Stal - stop żelaza, węgla i pierwiastków o zawartości węgla maksymalnie 2%. Musi zostad obrobiona
plastycznie - w innym wypadku jest staliwem.

Żelazo - samo w sobie nie ma większego zastosowania, użyteczne są jego stopy.

W roku 2012 wyprodukowano 1580 000 000 ton stali.

Hutnicze wyroby stalowe:

1) kształtowniki
2) blachy
3) rury

CYKL METALURGICZNY (wytwarzania żelaza i stali )

* Surówka 70%, reszta to złom

** 100% złomu stalowego. Co druga tona stali powstaje ze złomu.

Proces
wielkopiecowy
(redukcyjny)

- materiały żelazonośne
- materiały żużlotwórcze
(CaO, CaC𝑂

3

, CaMgC𝑂

3

- koks wielkopiecowy
( dostarcza ciepła,
reduktor)

Wsad

Procesy stalownicze:
1) konwektor tlenowy*
2) elektryczny piec łukowy**

Surówka

Produkty uboczne:
- żużel (300kg/tonę
surówki).
- gaz wielkopiecowy
-szlam

Ciekła stal

Proces odlewania stali:
1) do wlewnic
2) ciągłe odlewanie

Wlewek
stalowy

Przeróbka plastyczna

Stalowe wyroby hutnicze

Materiały wsadowe:
- surówka
- złom stalowy
- materiały żużlotwórcze
- żalazostopy

Odpady:
- żużel stalowniczy
- gaz konwektorowy
- szlam, pył
- spaliny

Rudy żelaza - 𝐹𝑒

3

𝑂

4

( magnetyd ), 𝐹𝑒

2

𝑂

3

, 𝐹𝑒𝐶𝑂

3

, FeS

Niepotrzebna częśd rudy to skała płonna.

Surówka - stop żelaza z węglem
Żużel - jest używany do produkcji materiałów budowlanych, cementów, materiałów izolacyjnych
(wata szklana), pumeks.
Żużel stalowniczy - cementy, budownictwo, pigment
Gaz wielkopiecowy - wykorzystywany w celach energetycznych, grzewczych.
Szlam - zawracany do procesów spiekania
Wlewek stalowy - bryła o odpowiedniej masie oraz średnicy ( możliwa do przerobienia )

Wykład 2 - Struktura, właściwości i metody badao materiałów

Właściwości materiałów - zespół charakterystycznych cech określających reakcję tworzywa na
bodźce zewnętrzne.

Reakcja = właściwośd * bodziec
np.
Naprężenie = Moduł Younga * odkształcenie

Właściwości są stałe, zależne jedynie od natury materiału, nie od wymiarów
Wielkośd reakcji zależy od materiału i intensywności bodźca.

Właściwości tworzyw:
1) Mechaniczne
2) Fizyczne
3) Chemiczne

Bodźce zewnętrzne:
1) Pole naprężeo

odkształcenie

2) Pole elektryczne

reakcja materiału

opór elektryczny

3) Czynnik chemiczny

utlenianie/redukcja

W materiałach ważne są:
- skład chemiczny
- budowa ( każdy poziom budowy wymaga innych metod i urządzeo do badania )
- ułożenie atomów
- wiązania chemiczne

O właściwościach materiałów decyduje ich skład chemiczny i technologia ich wytwarzania

Skład chemiczny

Struktura

Technologia

Właściwości użytkowe materiałów

Stan powierzchni

Podstawowe grupy materiałów

Struktura - wewnętrzna budowa materiału. Można ją kształtowad w trakcie procesów
technologicznych. W materiałach można wyróżnid kilka poziomów struktury:
- konstrukcja
- makro i mikrostruktura
- faza
- molekuła
- atom
- jądro
- cząstka elementarna

Wiązania chemiczne!

Związki jonowe - krystaliczne ciała stałe, wysokie temperatury wrzenia i topnienia, przewodnictwo
elektryczne ( w stanie stopionym ).

Badania materiałów:
- cele poznawcze
- cele utylitarne

Mikroanaliza rentgenowska - określa skład chemiczny w bardzo małej objętości

Mikroskopia sił atomowych (AFM)

Wizualizacja na poziomie atomowym

Elektronowa mikroskopia tunelowa ( STM )

Ceramika

Polimery

Metale

KOMPOZYTY

Półprzewodniki,
nadprzewodniki

Szkła metaliczne

Wykład 3 - Technologie wytwarzania ceramiki, tworzyw sztucznych i kompozytów

1. Ceramika:

Złożone związki i roztwory stałe pierwiastków metalicznych i niemetalicznych połączone ze sobą
wiązaniem jonowym lub kowalencyjnym: tlenki, azotki i węgliki. Np. materiały ogniotrwałe,
budowlane, ceramika inżynieryjna, porcelana, płytki, ceramika elektrotechniczna.

Rodzaje produktów:
- ceramika lita/spieczona - wyroby
- ceramika porowata - wyroby i półprodukty
- proszki ceramiczne - pigmenty, ścierniwa
- powłoki: grube (np. szkliwa, emalie) i cienkie
- włókna (szklane, grafitowe)

Grupy ceramiki:
- materiały wiążące
- szkło
- ceramika budowlana
- ceramika szlachetna
- materiały ogniotrwałe

Zalety ceramiki

Wady ceramiki

Wysoka temperatura topnienia

Kruchośd

Twarda, sztywna

Nieodporna na szoki termiczna

Odpornośd na korozję, ścieranie

Skomplikowana technologia

Niskie przewodnictwo elektryczne i cieple

Koszty

Niska gęstośd

Dobra biozgodnośd

Surowiec wyjściowy - proszek
Procesy (uzyskiwanie wyrobu):
- wytwarzanie proszków i mas
- formowanie
- suszenie
- kształtowanie półfabrykatów w stanie niewypalonym
- wypalanie (spiekanie)
- nanoszenie pokryd ceramicznych
- kształtująca obróbka koocowa

Uzyskiwanie proszku:
- rozdrabnianie grube i miałkie
(zmniejsza rozmiary ziaren, zwiększa reaktywnośd)

Mechanizmy:
- ściskanie
- udar
- ścieranie

Formowanie - usuwanie wody pod wpływem ciśnienia
Suszenie - wilgod usuwana poprzez odparowanie, uzyskujemy zadany kształt, nie ma jednak trwałego
połączenia
Spiekanie - proces samorzutny w wysokiej temperaturze, atomy migrują z ziarna do ziarna, powstają
szyjki łączące, ziarna wiążą się wzajemnie, towarzyszy temu skurcz całego układu, oraz przejście ze
stanu sypkiego w lity, wytrzymały polikryształ.

Rodzaje spiekania:
- swobodne
- prasowanie jednosiowe na gorąco
- prasowanie izostatyczne na gorąco
- plazmowe
- mikrofalowe

2. Tworzywa sztuczne ( polimerowe )

Składają się z polimerów oraz dodatków modyfikacyjnych

Dodatki:
- napełniacze
- stabilizatory termiczne
- stabilizatory promieniowania UV
- uniepalniacze ( przy zapłonie powierzchnia pokrywa się cienką warstwą węgla, która odcina dopływ
tlenu )
- środki antystatyczne
- środki spieniające
- barwniki

Produkty z tworzyw sztucznych:
- kształtowniki
- folie
- arkusze
- powłoki izolacyjne
- farby, lakiery
- kleje
- włókna do tekstyliów

Grupy tworzyw sztucznych:
1) termoplasty - struktura nie zmienia się podczas ogrzewania i kształtowania. Można poddawad
recyklingowi dzięki czemu są opłacalne.
2) duroplasty - podczas ogrzewania i kształtowania zachodzą trwałe zmiany w strukturze
molekularnej, nie można oddad do recyklingu.

Zalety tworzyw sztucznych

Wady tworzyw sztucznych

Mała gęstośd

Brak odporności na temperaturę

Odporne na korozję

Mniejsze właściwości mechaniczne

Łatwo do przetworzenia

Wytwarzanie:
- wytłaczanie ze stałym przekrojem
- odlewanie
- wytwarzanie ciągłe ( arkusze i folie )
- wytwarzanie ciągłe włókien
- spienianie


3. Kompozyty

Materiały o strukturze niejednorodnej, składają się z 2 lub więcej komponentów o różnych
właściwościach, zachowują wyraźną granicę rozdziału.

Właściwości poszczególnych komponentów się nie sumują

Kompozyty dzielą się zazwyczaj na osnowę i zbrojenie

Osnowa: polimer, metal, ceramika
Faza umacniająca: włókna szklane, włókna węglowe

Stopy metali - wysoka wytrzymałośd, sztywnośd, twardośd, odpornośd na ścieranie w szerokim
zakresie temperatury. Szerokie możliwości technologiczne kształtowania struktury i właściwości
(skład chemiczny, obróbka cieplna, przeróbka plastyczna).

Stopy żelaza ( stale, żeliwa )
gęstośd ~ 7,8 g/𝑐𝑚

3

Stopy aluminium
gęstośd ~ 2,7g/𝑐𝑚

3

Klasyfikacja według gęstości!

Stopy magnezu
gęstośd ~1,8 𝑔/𝑐𝑚

3

Polimery
mała gęstośd ~ 0,8 - 1,9 g/𝑐𝑚

3

Wykład 4 - Nanomateriały

Nanomateriały - materiały, w których rozmiar elementów nie przekracza 100nm, przynajmniej w
jednym kierunku. Nanomateriał wykazuje inne właściwości w porównaniu z materiałem
konwencjonalnym o tym samym składzie chemicznym.

Klasyfikacja nanomateriałów:
1) układy małowymiarowe - kropki kwantowe, nanorurki, nanodruty, materiały nanoporowate.
2) materiały objętościowe - materiały nanokrystaliczne, materiały nanostrukturalne, nanofazowe.

Zakresy wielkości ziarna

Amorficzne

Nanokrystaliczne

Ultra -
drobnoziarniste

Mikrokrystaliczne
(konwencjonalne)

Nano I

Nano II

1nm

8-12nm

30-70nm 500-1300nm

Im mniejsze ziarno tym większa wytrzymałośd

Fulereny - cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w
środku bryłę.
Nanorurki - struktury nadcząteczkowe mające postad pustych w środku walców.




Zastosowanie fulerenów:
- zastosowanie wojskowe, jako absorbent promieniowania radiacyjnego oraz fal radiowych
- w medycynie jako nośnik powoli uwalnianych leków
- w inżynierii materiałowej jako napełniacz wzmacniający polimery
- w eksploatacji maszyn pracujących w ciężkich warunkach jako modyfikator obniżający intensywnośd
zużycia

Nanorurki

Gęstośd

1,3 - 1,4

Wytrzymałośd na
rozciąganie *GPa+

46

Obciążalnośd
prądem
elektrycznym

1

Przewodnośd
cieplna [W/mK]

6000

Zastosowanie nanocząstek srebra:
- odzież, pościel, materace
- miejsca hodowli i transportu zwierząt
- płyny technologiczne ( ze względu na właściwości antybakteryjne, antywirusowe), woda basenowa

Wykład 5 - Materiały biomimetyczne

Biomimetyka - naśladownictwo natury, adaptacja w technice

Piany metalowe ( mała gęstośd, małe przewodnictwo cieplne )

Siła adhezji - siła przyczepności

Duża siła adhezji występuje przy dużej powierzchni kontaktu

Polikaprolaktan - nanowłókna PCL ( sztuczna pajęczyna )

Wykład 6 - Procesy przeróbki plastycznej i cieplnej

Obróbka plastyczna - technika wytwarzania, w której ukształtowanie lub podzielenie materiału,
zmianę gładkości lub właściwości fizykochemicznych osiąga się przez odkształcenie wywołane siłami
zewnętrznymi

Obróbka na zimno - temperatura niższa od temperatury rekrystalizacji
Obróbka na gorąco - temperatura wyższa od temperatury rekrystalizacji

Biomimetyka

Badanie budowy szkieletu,
powierzchni roślin i zwierząt

Nowe materiały

Konstrukcje w architekturze

Odkształcenie - zmiana wymiarów i/lub kształtu ciała

Rozróżnia się:
- odkształcenia sprężyste - odkształcenie ustępuje po odjęciu obciążenia
- odkształcenia plastyczne - odkształcenie pozostające po odjęciu obciążenia
- odkształcenia elastoplastyczne - odkształcenie całkowite - suma plastycznego i sprężystego

Siła granicy plastyczności - po przekroczeniu granicy materiał nie wróci do pierwotnej formy

Kształtowanie - nie ma zmiany spójności materiału
Cięcie - występuje zmiana spójności materiału

Podział ze względu na rodzaj używanych urządzeo:
1) walcowanie
2) tłoczenie
3) kucie
4) ciągnienie


1. Walcowanie:

Profil walcowanego wyrobu to kształt przekroju poprzecznego

Asortyment - grupa profili i ich wymiarów

Pręty:
- zaliczamy do nich podstawowe wzory geometryczne
- bardziej skomplikowane są złożeniami podstawowych

Kształtowniki:
- teowniki, ceowniki, kątowniki itp.

Kształtownik łubkowy - łączenie szyn
Kształtownik podkładkowy - przymocowanie szyn do podkładu

Typy walcowania:
- wzdłużne
- poprzeczne
- skośne

Pręty i
kształtowniki

Blachy, taśmy

Wyroby specjalne

Rury

2. Kucie

Obróbka pod wpływem uderzenia bądź nacisku
Kucie swobodne - tradycyjne, nieograniczone formą ( np. zwykłe kowadło i młotek )
Kucie matrycowe - ograniczone kształtem narzędzia, odwzorowuje kształt narzędzia

Wyciskanie - wypływ materiału poddanego ściskaniu w zamkniętej przestrzeni przez szczeliny lub
otwory w kształcie przekroju poprzecznego


3. Ciągnienie

Zmiana kształtu poprzez wydłużenie w wyniku osiowej siły ciągnącej siły zewnętrznej oraz
równoczesnego obrotowego ściskania w ciągadle

Tłoczenie - na zimno lub gorąco, poprzez cięcie lub kształtowanie otrzymujemy wyroby o małej
grubości w stosunku do wysokości i szerokości ( np. denko garnka w stosunku do jego średnicy i
wysokości ).