Dr inż. Jerzy Bielanik

W-2. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE są wytwarzane przez człowieka

z surowców:

Podstawą przedstawionej klasyfikacji materiałów są rodzaje wiązań, jakie występują

pomiędzy atomami - a te z kolei wynikają z budowy elektronowej atomów pierwiastków

tworzących materiał.

METALE

Definicja chemiczna

Metale to pierwiastki, których tlenki w połączeniu z wodą tworzą wodorotlenki (zasady)

Na

2

O + H

2

O → 2NaOH

MgO + H

2

O → Mg(OH)

2

Sód i magnez są więc metalami

Niemetale to pierwiastki, których tlenki w połączeniu z wodą tworzą kwasy

SO

3

+ H

2

O → H

2

SO

4

Siarka jest niemetalem

Z punktu widzenia materiałoznawstwa za metal uważa się o

zbiór

atomów o szczególnej budowie elektronowej

, wykazujących w stanie

stałym uporządkowane rozmieszczenie w przestrzeni w postaci

s i e c i

kr y s t a l i c z n e j

. Siły wiążące występujące pomiędzy atomami metali

wynikają z

wiązania metalicznego

, które decyduje o szczególnych

właściwościach metali

.

P o d s u mu j my , w d e f i n i c j i me t a l i w y r ó ż n i a my c z t e r y e l e me n t y :

a) szczególną budowę elektronową atomów tworzących metal,
b) siły wiążące atomy (wiązanie metaliczne),
c) uporządkowane rozmieszczenie atomów w przestrzeni w postaci sieci krystalicznej,
d) własności stanu metalicznego.

METALE

POLIMERY

CERAMIKA

KOMPOZYTY

Dr inż. Jerzy Bielanik

Szczególna budowa elektronowa atomów metali:

na ostatniej nie zapełnionej powłoce występuje 1 bądź 2 elektrony walencyjne, a w

wyjątkowych przypadkach 3 a nawet 4 elektrony,

rozbudowywana jest powłoka d lub f,

Atomy pierwiastków metalicznych są więc elektrododatnie.

W przeciwieństwie niemetale są to pierwiastki elektroujemne i obojętne. Niektóre z nich
występują w grupach IIIa i IVa a wszystkie pozostałe w grupach od Va do VIIIa.

Siły występujące pomiędzy atomami pierwiastków metalicznych są wynikiem

elektrostatycznego oddziaływania pomiędzy dodatnio naładowanymi

rdzeniami atomowymi a ujemnie naładowanymi elektronami swobodnymi

(gazem elektronowym).

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

Model wiązania metalicznego

Dr inż. Jerzy Bielanik

Sieć krystaliczna metali

Metale w stanie stałym wykazują uporządkowane rozmieszczenie w przestrzeni w postaci
tzw. sieci krystalicznej (sieci przestrzennej).
Do opisu uporządkowania atomów, położenia ich w przestrzeni przyjmuje się układ
przestrzenny trzech osi:

x, y, z

. Początek układu lokalizuje się w dowolnym węźle, czyli

środku dowolnego atomu wchodzącego w zbiór tworzący rozpatrywany metal (kryształ).
Osie układu przechodzą przez środki najbliżej położonych atomów w ten sposób, aby kąt
pomiędzy osiami był prosty lub rozwarty. Powtarzające się odległości punktów na osiach,
które reprezentują środki atomów, nazywamy

translacjami

(periodami identyczności) i

oznaczamy odcinkami a, b, c.

X

Y

X

Y

Model płaski sieci krystalicznej

Układ krystalograficzny

Translacje: „a” na osi x,
„b” na osi y, „c” na osi z
oraz kąty: γ między osiami x i y,
β między osiami x i z,
α między osiami y i z wyznaczają układ krystalograficzny.

X

Y

Z

a

b

c

c

b

γ

β

α

Dr inż. Jerzy Bielanik

W zależności od symetrii kryształu (środka, osi i płaszczyzny symetrii)
rozróżnia się 7 układów krystalograficznych. Największym stopniem symetrii
charakteryzują się kryształy należące do układu regularnego (sześciennego).

Układ
krystalograficzny

Parametry układu

Typ komórki elementarnej

Symbol

komórki

Regularny

a = b = c
α = β = γ = 90

0

prymitywna
przestrzennie
centrowana
ściennie centrowana

P

J

F

Tetragonalny a = b ≠ c

α = β = γ = 90

0

prymitywna
przestrzennie
centrowana

P

J

Heksagonalny a = b ≠ c

α = β = 90

0

,

γ = 120

0

zwarcie wypełniona

Zw

Romboedryczny

(trygonalny)

a = b = c
α = β = γ ≠ 90

0

prymitywna

P

Rombowy

a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90

0

prymitywna
przestrzennie centrowana
ściennie centrowana
centrowana na
podstawach

P

J

F

C

Jednoskośny a ≠ b ≠ c

α = β = 90

0

≠ γ

prymitywna
centrowana na
podstawach

P,

C

Trójskośny

a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠90

0

prymitywna

P

Dr inż. Jerzy Bielanik

Komórki elementarne mogą być prymitywne, przestrzennie centrowane, płasko
(ściennie) centrowane i centrowane na podstawach.

Sieć krystaliczną wyznaczają komórki elementarne utworzone przez
powtarzający się układ atomów w przestrzeni.

Własności metali (stanu metalicznego):

nieprzezroczystość,

połysk metaliczny,

plastyczność,

dobrą przewodność cieplną i elektryczną,

ujemny temperaturowy współczynnik przewodności elektrycznej.

Dr inż. Jerzy Bielanik

Przykłady metali: potas, tytan, żelazo, miedź, stal, itd,

Przykłady niemetali: grafit, krzem, german.

Metale jako materiały inżynierskie

uzyskuje się w procesie metalurgicznym.

POLIMERY (tworzywa sztuczne lub plastyki),

są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków

C z H

oraz innych pierwiastków

niemetalicznych, jak:

N, O, F, Si.

Polimery, będące makrocząsteczkami, powstają w wyniku łączenia się prostych
cząsteczek, tzw. monomerów w łańcuchy

za pomocą wiązań kowalencyjnych

(atomowych).

Własności polimerów:

mała gęstość,

nie przewodzą prądu elektrycznego,

słabo przewodzą ciepło,

brak połysku,

zwykle są przezroczyste.

mer

monomer

Fragment prostoliniowego łańcucha polietylenu – cały łańcuch może zawierać ok. 50 000
jednostek monomerycznych.

Dr inż. Jerzy Bielanik

W skład polimerów wchodzą dodatki: barwniki, kotalizatory, napełniacze, zmiękczacze,
antyutleniacze i inne.
W zależności od składu podstawowej jednostki monomerycznej rozróżnia się następujące
rodzaje polimerów:

Podstawowa

jednostka

monomeryczna

Rodzaj polimeru

Zastosowanie

H H

Polietylen

butelki, folie

I

I

- C - C -

I

I

H H

H

H

Polichlorek winylu

wykładziny podłogowe, tkaniny,
powłoki

I

I

- C - C -

I

I

H

Cl

H

H

Polipropylen

folie, rury, pokrycia

I

I

- C - C -

I

I

H

CH

3

H

H

Polistyren

pojemniki, pianki

I

I

- C - C -

I

I

H

C

6

H

5

F

F

Teflon

produkty chemiczne, uszczelnienia,
łożyska, pieczęcie

I

I

- C - C -

I

I

F

F

H

Poliformaldehyd

twarde produkty, łożyska

I

- C - O -

I

H

H

H

Kopolimer:
styren + butadien

opony, listwy

I

I

- C - C -

I

I

H C

6

H

5

Dr inż. Jerzy Bielanik

Podział polimerów:

PLASTOMERY

Polimery, które w momencie zerwania
osiągają wydłużenie trwałe ok. 200%.

ELASTOMERY
Polimery, które są skłonne do dużych
odkształceń sprężystych.
Po rozerwaniu wykazują niewielkie
odkształcenia trwałe.
Do elastomerów zaliczają się
wszystkie rodzaje kauczuku,
poliizobutylen, niekiedy polietylen i
niektóre odmiany zmiękczonego
polichlorku winylu.
Elastomery mają zastosowanie do
wyrobu opon, uszczelnień, węży,
pasów, amortyzatorów, spodów
obuwia itp.

Dzielą się na:

1. polimery termoplastyczne (termoplasty), które

po nagrzaniu stają się plastyczne, a po
ochłodzeniu twardnieją.
Należą do nich: polietylen, polipropylen,
polichlorek winylu, polistyren, poliamidy,
poliwęglany, poliestry, kopolimery: etylen –
propylen, etylen – winyl, terpolimer:
akrylonikryl-butadien –styren ABS.

2. polimery utwardzalne (duroplasty)

2.1.termoutwardzalne – utwardzają się po

nagrzaniu. Należą do nich fenoplasty i
aminoplasty.

2.2.

Chemoutwardzalne – utwardzają się pod
wpływem utwardzaczy, jak np. żywice
poliestrowe i epoksydowe.

Materiały ceramiczne

Są to materiały nieorganiczne, wytwarzane w wysokotemperaturowych procesach z
udziałem

metali

i niemetali

(C, N, O, S, P)

. Pomiędzy składnikami przebiegają

nieodwracalne reakcje chemiczne.

Klasyfikacja materiałów ceramicznych:

ceramika inżynierska,

cermetale,

ceramika porowata,

szkła,

ceramika szklana.

Ceramika inżynierska

Ceramika inżynierska zwana również ceramiką drobnoziarnistą, wytwarzana jest w
wyniku spiekania w wysokiej temperaturze (bez udziału fazy ciekłej) bardzo czystych
związków, jak: tlenki (glinu, cyrkonu), węgliki (wolframu, tytanu, krzemu), azotki (boru,
tytanu, krzemu), diament.

Dr inż. Jerzy Bielanik

Zastosowanie ceramiki inżynierskiej:

Przemysł samochodowy i lotniczy: elementy turbin, osłony termiczne i uszczelnienia,
elementy osłony termicznej promów kosmicznych.

Wytwarzanie: narzędzia skrawające, elementy maszyn narażone na ścieranie i korozję,
ceramika szklana, włókna optyczne, światłowody.

Elektronika: półprzewodniki, izolatory, nadprzewodniki, lasery, dielektryki.

Wysoka temperatura: produkty ogniotrwałe, elementy grzewcze, elementy pieców,
armatura instalacyjna.

Medycyna: osprzęt laboratoryjny, protezy, materiały stomatologiczne.

Cermetale

Są złożone z drobnych cząstek krystalicznych węglików lub azotków zatopionych w
osnowie metalicznej stanowiącej lepiszcze o udziale masowym ok. 10%. Materiały te
zaliczane są również do kompozytów. Cermetale wytwarza się metodami metalurgii
proszków gdyż podlegają spiekaniu w temperaturze niższej od temperatury topnienia
każdego ze składników.

Ceramika porowata

W skład ceramiki porowatej wchodzą składniki krystaliczne (Al

2

O

3,

SiO

2

) otoczone fazą

szklistą utworzoną głównie z gliny, krzemionki, kwarcu, skalenia lub kaolinu.
Ceramikę porowatą stanowią masowo produkowane materiały budowlane, jak: cegła,
dachówka, płytki podłogowe, glazura, materiały ogniotrwałe stosowane do budowy
pieców przemysłowych i grzewczych, materiały stosowane w technice sanitarnej jak
kamionka oraz porcelana. Po wypaleniu i odprowadzeniu wody ceramika charakteryzuje
się około 10% porowatością.

Szkła

Pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną szkła zalicza się do
materiałów ceramicznych. Podstawowymi składnikami szkła są tlenki kwasowe SiO

2

,

B

2

O

3

, P

2

O

5

, tlenki arsenu, siarka, selen i fluorek ołowiu. W skład szkła wchodzą również

tlenki zasadowe Na

2

O, K

2

O MgO, CaO. Trzecią grupę składników szkła stanowią tlenki

pośrednie, jak glinu i berylu, które nie mogą samodzielnie utworzyć sieci przestrzennej
szkła.

Ceramika szklana

Uzyskuje się przez krystalizację (odszklenie) masy szklanej do postaci bardzo
drobnokrystalicznej, bez porowatości, z pozostałością nie więcej niż 2% fazy szklistej.
Krystalizację masy przeprowadza się na zarodkach Cu, Ag lub Au pod wpływem
promieniowania ultrafioletowego. Inną metodą uzyskiwania ceramiki szklanej jest
wprowadzenie katalizatorów, np. platynowców lub tlenku tytanu i stosowanie w miejsce
napromieniowywania obróbki cieplnej. Ceramika szklana cechuje się wysoką odpornością
na udary cieplne i wysoką żarowytrzymałością.