24.02.2009

Stale konstrukcyjne masowego zastosowania

W ostatnich 25 latach nastąpiły zasadnicze zmiany w asortymencie produkcyjnych stali konstrukcyjnych masowego zastosowania. Dawniej były to stale węglowe zwykłej jakości stosowane w stanie surowym po uprzednim walcowaniu w latach 60 narodziła się tendencja aby w stalach tych zmniejszać zawartość węgla, obniżać poziom zanieczyszczeń a wzrost własności wytrzymałościowych uzyskiwać. Później zaczęto dodawać różne pierwiastki stopowe, których celem było przede wszystkim hamowanie wzrostu ziaren co w efekcie zapewniło znaczny wzrost ułomności wytrzymałościowych. Stalr te nazywano w Polsce stalami mikroskopowymi o podwyższonej wytrzymałości, a w Europie Zachodniej- stalami HSLA. Stale te mają ponadto bardzo dużą odporność na kruche pełzanie b. dobrą podatność na kształtowanie wyższych temperaturach b. dobrą sprawność i dobrą wytrzymałość zmęczeniową. W skład chemiczny tych stali wchodzi niewielka ilość węgla, manganu i nieznaczne ilości mikrododatków stopowych: tytanu, wanadu-<0,1%

Stale maraging:

Zapotrzebowanie na materiały o dużej wytrzymałości i odporności na kruche pękanie uwarunkowane głównie rozwojem techniki kosmicznej przyczyniło się do powstania nowej grupy stopów żelaza, a dokładnie stali maraging(MS) początkowo były to stale niskowęglowe( do 0,03C) gdzie głównym składnikiem stopowym był nikiel w ilości 8-25 do najbardziej popularnych należą stale zawierające % 20 i 25 Ni; 1,3-1,6 Ti; 0,15-0,30 Al; 0,3-0,5 Nb. następny etap w rozwoju SM było otrzymanie stopów z układu Fe-Ni-Co-Mo z dodatkiem Ti. Do dziś rozpowszechniane są gatunki tych stali zawierające 18% Ti. Najlepszy zespół własności mechanicznych uzyskano w przypadku stali o układzie % 18 Ni; 8 Co; 4 Mo; 0,2 Ti; 0,17 C. O przynależności stali do tej grupy stopów decyduje nie skład chemiczny lecz podstawowy mechanizm utwardzania jakim jest wydzielanie faz międzymetalicznych w osnowie prawie bezwęglowego martenzytu.

Stopy miedzi:

Wraz z rozwojem elektroniki nowe zastosowanie znalazła miedź- jeden z podstawowych metali technicznych, a także jej stopy. Właściwości miedzi a zwłaszcza jej duża przewodność cieplna i elektryczna oraz wysoka odporność na korozję połączone z dobrymi właściwościami technologicznymi, wytrzymałościowymi, które uzyskuje się przez dodanie odpowiednich składników stopowych są bardzo szeroko wykorzystywane w nowoczesnej technice. Istnieje też możliwość pokrywania gotowych kadłubów stalowych blachą Cu Ni 10 przez wykorzystanie technologii laserowej. Ewentualne wprowadzenie w życie tego projektu spowoduje rewolucję w przemyśle okrętowym. Na szereg nowoczesnych części maszyn stosowane są brązy betylowe.

Stopy Aluminium:

Aluminium i jego stopy charakteryzują się: - małą gęstością; - b. dużą plastycznością; -dużą przewodnością elektryczną i cieplną; -dobrą odpornością na korozję i elastycznym wyglądem; -dobrymi własnościami odlewniczymi. Tradycyjnym podziałem stopów Al. Jest podział na stopy aluminium odlewnicze i do przeróbki plastycznej. Stopy odlewnicze Al. I Si nazywamy silu minami. W zależności od struktury uwarunkowanej zawartości Si rozróżniamy: -siluminy podelektryczne 4-10% Si; -siluminy elektryczne 10-13% Si;-siluminy nadeutektyczne 13-30% Si. Siluminy odznaczają się bardzo dobrą lejnością nisko temp. Odlewania oraz małym skurczem podczas krystalizacji. Ich wada- gruba ziarnista struktura. Jednym ze sposobów modyfikacji struktury siluminów pod i elektrycznych jest dodanie sodu. Modyfikacja sodem powoduje rozdrobnienie struktury. Dużo technicznie czystego Al. Używa się do produkcji cienkich blach i folii. Często zamiast Al. Wprowadza się jego stopy. Stopy są wtedy plastyczne, ale wyrób jest bardziej sztywny niż ten z czystego metalu. Ważny w omawianych stopach jest Mn, który zwiększając napięcie powierzchniowe powoduje kurczenie się kulistych wydzieleń faz międzymetalicznych. Al₆ (Fe, Mn) co powoduje podwyższenie własności plastycznych. W lotnictwie stosuje się stopy aluminium z litem Al.-Li- w ramach, na podłogach, żebrowaniach samolotów cywilnych i wojskowych dużą odporność na zmęczenie i wytrzymałość.

Stopy Magnezu:

Równolegle do badań nad stopami AP-Li prowadzone są intensywne badania nad stopami ultralekkimi Mg- Li, o gęstości 1,3-1,7 g/cm³. Ostatnio przedmiotem badań są stopy wieloskładnikowe Mg-Li7-A14 z kilku procentowymi.

03.03.2009

KOBALT I STOPY KOBALTU:

W ostatnim ćwierćwieczu stopy kobaltu znalazły cały szereg zastosowań: w technice, ale głównie w medycynie. Jest doskonałym materiałem ferromagnetycznym. Zastosowanie na met. magnet. twarde(głównie magnesy): -odporny na ścieranie; -żarowytrzymałe, żaroodporne, stopy na bazie CO; -inplonty nietoksyczne, odporne na działanie czynników zewnętrznych(zastosowanie w biomedyce). Kobalt występuje w odmianach alotropowych: -niskotemperaturowe E , o sieci nekragonalnej zwartej; -wysokotemperaturowe epsilon, o sieci sześciennej centrowej są rury kobaltu, jako czysty pierwiastek nie istnieje. Temperatury przemiany alotropowej wynosi 640K(417°C) co jest pierwiastkiem Curie 1393 K (1120° C), temperatura topnienia Co- 1768 K (1415° C). Zidentyfikowane złoża rud kobaltu którymi są przede wszystkim: Kobaltyn-CoAsS, Smeltyn-GeASo, skutterucyt (CoNi)As₂ znajdują się przede wszystkim w Kanadzie, Rosji, Birmie. Mimo b. wysokiej ceny kobaltu i wieloletnich badań w poszukiwaniu stopów zastępczych ograniczających zużycie Co, Stany Zjednoczone zużywają rocznie ~10000ton Co, Japonia i kraje EWG po ~8000ton i zapotrzebowanie na ten metal gwałtownie rośnie z każdym rokiem. Poniżej niektóre charakterystyki najpopularniejszych stopów kobaltowych. Stopy kobaltu odporne na zużycie nazywane są stellitami. Na świecie produkuje się obecnie ~ 20 typów stopów stellitowych klasyfikowane są one: 1)tzw stellity MS (Co-Cr-W+ C) 2)Cp-C-W/Mo-Ni/Fe-C;3) Co-Cr-W-Ni-C-Si/B tzw stellity modyfikowane krzemem i borem. Stellity charakteryzują się również b. dobrą odpornością na utlenianie i korozję. Są one bardzo odporne na działanie kwasu siarkowego, fosforowego i kwasów organicznych. Natomiast na działania kwasów solnego i azotowego zwłaszcza w podwyższonych temperaturach odporność stellitowa jest ograniczona. Stellity wszystkie są spawalne. Można też napawać do różnych przedm. Stalowych. Są też trudne do prowadz. Obróbki więc możemy je szlifować. Dają piękną gładź po obróbce. Narzędziami z węglików spiekanych są obrabiane na proszku WC. Odporne na działanie spalin, wysokotermiczna odporność, żaroodporność i żarowytrzymałość bo niby nie ma różnicy, ale różnica zależy od zastosowania, chociaż stellity raczej nie różnią się składem ani wartościami. Głównym obszarem zastosowań nadstopów jest technika izomiczna i lotnicza. Od kilkunastu lat uważa się, że rozwój tej grupy materiałów nie może polegać na ulepszeniu składu chemicznego a raczej na postępie w ich technologii. Najistotniejszymi zmianami w tym kierunku to wprowadzenie procesów monokrystalizacji nadstopów: -w 1982r. wprowadzono do budowy turbin w samolotach Boeing 767 i Airbus A310 monokrystaliczne łopatki wykonane z nadstopów. W latach 50 na odlewy stomatologiczne zaczęto stosować stopy kobaltu zwane VITALUMINY.

METALE Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU:

1) model zjawiska: zjawisko pamięci kształtu w modelach polega na tym że przedmiot o określonym kształcie pierwotnym odkształcony plastycznie, powraca do stanu wyjściowego po nagrzaniu do temperatury charakterystycznej dla danego stopu. Zjawisko oparte na odwracalnej przemianie martenzytycznej zostało zaobserwowane po raz pierwszy w latach 60 w stopie zwanym ni tinol o składzie zbliżonym do fazy NiTi. Dzisiaj wiadomo że efekt pamięci kształtu występuje w wielu stopach metali niezależnych o strukturze martenzytycznej. Najpopularniejszymi są: ni tinol i stop układu Cu-Zn-Al. W Polsce badania są prowadzone głównie w dwóch ośrodkach Instytut Fizyki i Chemi Uniwersytetu Śląskiego. Faza macierzysta odkształcanie«»ogrzewanie faza martenzytyczna. Innym wariantem tego zjawiska jest przypadek gdy przedmiot wyjściowy ma strukturę martenzytyczną uzyskaną w wyniku hartowania a odkształcenie plastyczne powoduje tylko reorientację martenzytu. Przemiana odwracalna przebiega wówczas w dwóch stopach. Martenzytyczna ilustracja efektu pamięci kształtu przedstawia się: -a-płaska próbka w stanie martenzytycznym;

-b-f-

17.03.2009

Plastiki, które się same naprawiają

Zauważyłeś rysę na karoserii ślicznego, wypastowanego na błysk auta? Nie martw się, trochę słońca i uszkodzenie zagoi się samo. Tak będzie, jeśli nadwozia pokryje nowy plastik opisany dziś w "Science".

Oto nowy typ poliuretanu - plastiku, który zrobił wielką karierę w przemyśle i gospodarstwach domowych. Robi się z niego włókna elastyczne, jak lycra i elastan, podeszwy butów, elementy zawieszenia samochodów, a także różnego rodzaju pianki.

Plastiki są sztucznymi tworzywami, które przypominają swą budową naturalną celulozę, kauczuk czy chitynę - składają się z długich łańcuchów prostych cząsteczek (fachowo zwane są polimerami). Marek Urban i Biswajit Ghosh z Uniwersytetu Południowego Missisipi w Hattiesburg do łańcuchów, które są rusztowaniem poliuretanu, dodali cząsteczki dbające o to, żeby wszelkie uszkodzenia szybko się zabliźniały.

Jak to działa? Kiedy te cząsteczki ulegają rozerwaniu - w wyniku mechanicznego zadrapania, pęknięcia lub przecięcia tworzywa - ich swobodne końce mają naturalną skłonność do szukania partnerów, z którymi mogłyby utworzyć na powrót solidne wiązanie, a więc odtworzyć łańcuch. A czynnikiem przyspieszającym gojenie jest światło ultrafioletowe.

W pogoni za słońcem

Naukowcy jak zwykle czerpali z natury. W skład "gojących się" cząsteczek wchodzi oksetan (związek organiczny mający kształt czteroczłonowego pierścienia - z trzema atomami węgla i atomem tlenu) oraz chitozan (naturalny polimer znajdujący się w szkieletach krabów, krewetek, homarów etc.). Badacze publikują w "Science" zdjęcia cienkiej warstwy swojego materiału, w której zrobili niewielką rysę (o szerokości setnej części milimetra), a potem oświetlili ją lampą UV. Widać, że po 15 minutach uszkodzenie samo się zabliźniło.

Lampa w zakresie ultrafioletu świeciła podobnie jak słońce. Autorzy wynalazku sugerują, że ich plastikiem będzie można pokrywać karoserie aut, dzięki czemu wszelkie rysy znikną same w czasie jazdy tym szybciej, im pogodniejszy będzie dzień. "W silnym słońcu typowym dla południowych Stanów Zjednoczonych uszkodzenia będą goić się kilka razy szybciej niż na północy kraju" - piszą. Co ważne, w tym procesie nie przeszkadza wilgoć (ani jej brak). Dodają, że zastosowań dla nowego tworzywa może być mnóstwo - od opakowań po protezy medyczne i tekstylia (wyobraźnia podsuwa np. obraz samocerujących się skarpet i rajstop).

Zgnieć i napraw

Samonaprawiające się materiały są przebojem ostatnich lat, pracuje nad nim wiele laboratoriów na świecie. Pionierem był zespół Scotta White'a z Uniwersytetu Illinois (USA), który w 2001 r. pokazał, jak można zasklepiać rany w tworzywach epoksydowych. Naukowcy naszpikowali materiał maleńkimi kapsułkami, w których znajduje się płynna żywica. Wskutek uszkodzenia kapsułki pękają, żywica wypływa, wypełnia ubytki i pęknięcia, po czym zastyga w zetknięciu z rozproszonymi w materiale cząsteczkami utwardzacza.

W grudniu zeszłego roku profesorowie Scott White i Paul Brown opisali w "Advanced Materials" najnowszy materiał tego typu, który już lada chwila powinien trafić na rynek. Może służyć jako farba do zabezpieczania przed korozją kadłubów statków, rurociągów, platform wiertniczych, których częsta konserwacja jest kosztowna lub utrudniona.

W tej antykorozyjnej farbie pływają dwa rodzaje mikrokapsułek. Jedne zawierają cząsteczki będące ogniwami polimerowego łańcucha, a w drugich jest katalizator, który sprawia, że te cząsteczki łączą się i tworzą wodoszczelny plastik, podobny do łazienkowego sylikonu. Jego zadaniem jest łatanie i zabezpieczenie miejsc, w których farba zostanie zarysowana (bo w tych właśnie miejscach kapsułki zostaną zgniecione, uwalniając uszczelniacz i katalizator).

Naukowcy wykonali też eksperyment. Porysowali kilka stalowych płytek, które były pomalowane nowym samouszczelniającym pokryciem oraz zwykłą okrętową farbą. I włożyli je na pięć dni do słonej wody. Okazało się, że porysowany metal pokryty zwykłą farbą zaczął rdzewieć na potęgę. A na nowym pokryciu nie było śladu rdzy.

Farba nie nadaje się jednak do malowania karoserii samochodów ani tam, gdzie liczy się efekt estetyczny, bo nie jest gładka. Kapsułki mają średnicę od 10 do 100 mikrometrów, sprawiają, że pomalowana powierzchnia jest szorstka i ziarnista.

Ale opisany teraz w "Science" poliuretanowy plastik już nie ma tej wady. Może więc już niedługo, zamiast szukać zacienionego miejsca do zaparkowania, będziemy się bić o jak najbardziej nasłonecznione. Żeby auto samo się wypolerowało. A lakiernicy pójdą z torbami.

Zdjęcia cienkiej warstwy nowego materiału,w której naukowcy zrobili niewielką rysę (o szerokości setnej części milimetra), a potem oświetlili ją lampą UV. Widać, że po 15 minutach uszkodzenie samo się zabliźniło

Cynk

Cynk (Zn, łac. zincum) to pierwiastek chemiczny, z grupy metali przejściowych w układzie okresowym.

Posiada 23 izotopy z przedziału mas: 57-78. Trwałe są izotopy 64, 66, 67, 68 i 70.

Został odkryty w Indiach lub Chinach przed 1500 p.n.e. Do Europy metal ten zawędrował dopiero w XVII wieku.

Występowanie

Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 75 ppm w postaci minerałów - głównie są to blenda cynkowa i smitsonit. Z punktu widzenia odżywiania duże ilości cynku znajdują się w ostrygach, chudym mięsie, drobiu i rybach. Dostarczają go również kasze i chleb pełnoziarnisty. jaja strusie

Otrzymywanie

Cynk otrzymuje się metodą pirometalurgiczną (prażenie rudy do wydzielenia ZnO i redukcja węglem drzewnym) lub metodą hydrometalurgiczną (prażenie rudy, po którym odbywa się ługowanie kwasem siarkowym i elektroliza otrzymanego roztworu).

Właściwości fizyczne i chemiczne

Cynk metaliczny jest błękitnobiałym, kruchym metalem. Na powietrzu ulega podobnej do aluminium pasywacji. Cynk jest bardzo reaktywny zarówno w środowisku kwasowym jak i zasadowym, nie reaguje jednak w obojętnym środowisku wodnym.

Związki

Najbardziej znanym związkiem cynku jest jego tlenek ZnO (biel cynkowa), który jest stosowany jako dodatek do farb i lakierów, oraz jako wypełniacz i stabilizator gumy i tworzyw sztucznych.

Zastosowanie

Najważniejsze zastosowanie technologiczne cynku to pokrywanie nim blach stalowych, w celu uodpornienia na korozję. Cynk jest też składnikiem wielu stopów, zwłaszcza z miedzią (mosiądz, brąz, tombak). Cynk stosowany jest też w ogniwach elektrycznych Daniella i Leclanchego.

Cyna

Cyna (Sn, łac. stannum) – pierwiastek chemiczny, metal z bloku p w układzie okresowym.

Cyna tworzy odmiany alotropowe. W warunkach normalnych występuje w odmianie β (beta) zwanej cyną białą, trwałej powyżej 13,2°C. Odmiana ta na ma sieć krystaliczną układzie tetragonalnym, o gęstości 7,3 g/cm³. W temperaturach niższych przechodzi w odmianę regularną α (alfa) o gęstości 5,85 g/cm³. Zmiana gęstości jest równoznaczna ze zmianą objętości, co powoduje, że cyna rozpada się, tworząc szary proszek zwany cyną szarą. Zjawisko to nazywane jest zarazą cynową. Czysta cyna biała jest ciągliwa i kowalna, odporna na korozję.

Ze względu na dostępność, niską temperaturę topnienia, łatwość odlewania, dobre własności mechaniczne a także niską cenę cyny, przedmioty cynowe były niegdyś bardzo popularne od wczesnego średniowiecza, największy rozkwit przedmiotów z cyny nastąpił pomiędzy XIV i XVI w.

Cynę używa się do pokrywania innych metali cienką warstwą antykorozyjną. Proces cynowania stosowany jest do zabezpieczania stalowych naczyń stosowanych w przemyśle spożywczym np. puszek do konserw oraz konwi na mleko.

Największe złoża cyny mieszczą się w Indonezji, Chinach, Tajlandii, Boliwii, Malezji, Rosji, Brazylii, Birmie i Australii.

Stopy cyny

Stop cyny i ołowiu ma niską temperaturę topnienia (np. przy 60% cyny jest to temperatura ok. 180°C) i stosowany jest w przemyśle i elektrotechnice jako lutowie do łączenia innych metali poprzez lutowanie. Używany był także do wyrobu czcionek drukarskich. Stop cyny i miedzi to brąz.

Stopy cyny – stopy, w których cyna jest głównym składnikiem stopowym. Najczęściej stosowanymi są stopy cyny z ołowiem, miedzią i antymonem.

Stopy cyny stosowane są jako spoiwa do lutowania. Ze względu na wysoką ciągliwość stopy cyny używane są do wytwarzania folii. Stopy cyny charakteryzują się dobrą lejnością. Używa się ich do wykonywania mało obciążonych odlewów, w tym odlewanych ciśnieniowo.

Polska Norma PN-xx/H-87204 specyfikuje następujące stopy cyny:

stopy cyny do obróbki plastycznej

C97 (SnSb2.5) i C83 (SnPb13Sb)

stop odlewniczy

C70 (SnSb15Pb10Cu4)

Ołów

Ołów jest miękkim metalem barwy niebieskawoszarej. Czysty ołów pokrywa się na powietrzu warstwą wodorotlenku i węglanu. Halogenki (PbCl2, PbBr2, PbI2) oraz siarczan(VI) są trudno rozpuszczalne, z tego względu ołów praktycznie nie rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach siarkowym (VI), chlorowodorowym, bromowodorowym i jodowodorowym. Stężony kwas solny roztwarza ołów, dzięki tworzeniu się kompleksów chlorkowych, podobnie, gorący, stężony kwas siarkowy(VI), w niewielkim stopniu, wprowadza jony Pb2+ do roztworu, na skutek tworzenia się rozpuszczalnego wodorosiarczanu(VI).

Stopy ołowiu

Stopy ołowiu - stopy, w których ołów jest głównym składnikiem stopowym. Najczęściej stosowanymi są stopy ołowiu z cyną, miedzią i antymonem. Stopy ołowiu charakteryzują się dużą lejnością, niską temperaturą topnienia, znaczną odpornością na korozję.

Polska Norma PN-xx/H-87201 specyfikuje szereg stopów ołowiu:

-Stopy ołowiu z domieszką antymonu - OK (PbCu), OTK (PbSb0.1), OT (PbSb0.2Sn) i OT1 (PbSn1) – stosowane na powłoki kabli, podkładki i uszczelki oraz OT10 (PbSb10) i OT3S (PbSb3As) – do produkcji śrutu i akumulatorów.

-Stopy ołowiu z antymonem - OT3 (PbSn3), OT5 (PbSb5), OT7 (PbSb7), OT8 (PbSb8), OT9 (PbSb9) – stosowane na aparaturę chemiczną, anody do galwanizacji. Przy większych zawartościach antymonu (OT9) także na elementy pomp tłoczących kwasy.

-Stopy ołowiu z antymonem z domieszką arsenu i berylu – OT4As (PbSb4As), OT6AsB (PbSb6AsB), OT8As (PbSb8As) – stosowane na elementy akumulatorów.

-Stop ołowiu z antymonem z domieszką kadmu – OCK (PbSbCd) – stosowany na powłoki kabli.

-Stopy ołowiu z antymonem i cyną - stosowane jako stopy drukarskie

Polimery i tworzywa sztuczne

Określenie polim. I tworzywa sztuczne stosowane są zamiennie. Zawierają dodatki typu zmiękczone, środki bombiące itp., które poprawiają ich wykorzystanie technologiczne.

Polimery- substancje złożone z wielkich cząsteczek.

W zależności od rodzaju użytego polimeru tworzywa sztuczne dzieli się na:

- termoplastyczne, które można wielokrotnie przerobić w podwyższonej temperaturze
- termoutwardzalne, które w podwyższonej temperaturze, po uformowaniu określonego kształtu, stają się nietopliwe i nierozpuszczalne,
- chemoutwardzalne, które pod wpływem określonych czynników chemicznych usieciowują się przestrzennie, przy czym stają się nietopliwe i nierozpuszczalne.
Tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne noszą nazwę duroplastów. Do grupy tworzyw termoplastycznych, nazywanych potocznie termoplastami, należą tworzywa, które w temperaturze pokojowej znajdują się w stanie zeszklenia lub w stanie wysokiej elastyczności i które po podgrzaniu mogą ponownie przechodzić w stan lekkopłynny. Umożliwia to struktura liniowa lub liniowo-rozgałęziona cząsteczek polimeru. Możliwość wielokrotnego przechodzenia polimeru ze stanu stałego w stan płynny wykorzystywana jest w procesach przetwórstwa tej grupy tworzyw.

Elastomery - to polimerowe tworzywa sztuczne lub naturalne, które cechuje zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości ich struktury. Elastomery to szersza grupa materiałów niż gumy, które stanowią tylko jedną z klas elastomerów.

Elastomer posiada zdolność zmiany w szerokim zakresie swoich wymiarów w momencie gdy jest poddawany naprężeniom rozciągającym, ścinającym lub ściskającym oraz następnie powrót do poprzednich wymiarów. Np: niektóre rodzaje gum opartych na kauczukach silikonowych można rozciągnąć o 1000% pierwotnych wymiarów bez zerwania.

Zdolność elastomerów do zmiany wymiarów wynika z ich specyficznej budowy chemicznej. Elastomery są usieciowanymi polimerami amorficznymi, które posiadają niską temperaturę zeszklenia, grubo poniżej temperatury pokojowej.

Odpowiednio silne oddziaływania między cząsteczkami elastomerów osiąga się poprzez:

• niezbyt gęste usieciowane chemicznie, zwane wulkanizacją - w wyniku czego otrzymuje się materiały elastyczne, ale nietopliwe i nierozpuszczalne - czyli gumy

• tworzenie warunków do powstania odpowiednio silnych oddziaływań międzycząsteczkowych, takich jak słabe wiązania wodorowe lub siły Van Der Waalsa - materiały takie są topliwe i rozpuszczalne - nazywane są one elastomerami lanymi lub elastoplastami.

Materiał kompozytowy (lub kompozyt) - materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.

Wiele kompozytów wykazuje anizotropię różnych właściwości fizycznych. Nie muszą to być wyłącznie własności mechaniczne. Np. polaroid to przykład kompozytu, który osiągnął sukces komercyjny dzięki jego szczególnym anizotropowym własnościom elektrooptycznym.

Rodzaje kompozytów

Kompozyty strukturalne - w których występują ciągłe struktury komponentów konstrukcyjnych - warstwy (np. sklejka), pręty (np. żelbet) lub regularne struktury trójwymiarowe np. przypominające plaster miodu,

• laminaty - które składają się z włókien zatopionych w lepiszczach - w zależności od sposobu uporządkowania włókien rozróżnia się taśmy kompozytowe - włókna ułożone w jednym kierunku - maty kompozytowe - w dwóch prostopadłych kierunkach - lub nieuporządkowane np. pykret,

• mikrokompozyty i nanokompozyty - w których regularna struktura dwóch lub więcej składników jest zorganizowana już na poziomie nadcząsteczkowym - tego rodzaju kompozyty występują w organizmach naturalnych - np. drewno - jest rodzajem mikrokompozytu, w skład którego wchodzą zorganizowane w skręcone pęczki włókna celulozowe, "sklejone" ligniną - współcześnie próby sztucznego otrzymywania tego rodzaju kompozytów są prowadzone w ramach badań nanotechnologicznych,

• stopy strukturalne - które są rodzajem stopów metali, metali z niemetalami, polimerów między sobą oraz polimerów z metalami i niemetalami o bardzo regularnej mikrostrukturze - przykładem tego rodzaju kompozytu jest stal damasceńska i duraluminium.

Stale martenzytyczne

Stale o strukturze martenzytycznej charakteryzują się podobnym stężeniem chromu jak stale ferrytyczne, lecz o podwyższonym stężeniu węgla do ok. 1%

Wytrzymałość

Struktura martenzytu odpuszczonego zapewnia tym stalom wysokie własności wytrzymałościowe do 1100 MPa wytrzymałości na rozciąganie. Stale martenzytyczne są magnetyczne. Ich odporność na korozje jest niska. Mogą mieć zastosowanie w kontakcie z kwasem azotowym, bornym, octowym. Benzoesowym, olejowym, pikrynowym, z węglanami, azotanami i ługami. Ich odporność na korozje spada wraz ze wzrostem temperatury. Odporność na korozję atmosferyczną jest dostateczna jedynie przy bardzo czystym powietrzu. Własności mechaniczne tych stali można polepszyć stosując zabiegi hartowania i odpuszczania.

Zastosowanie:

• Przemysł naftowy (urządzenia krakingowe, wały, pompy, sworznie, łopatki turbin parowych, zawory pras hydraulicznych, części maszyn, formy do odlewów pod ciśnieniem, narzędzia tnące, skrawające, pomiarowe, łożyska, elementy urządzeń narażone na działanie wody i atmosfery morskiej)

• Przemysł chemiczny (zastosowanie ograniczone ze względu na niewystarczającą odporność na działanie większości środowisk korozyjnie agresywnych oraz kiepskich właściwości spawalniczych)

Stal ferrytyczna

Stal nierdzewna nazywana ferrytyczna to taka której głównym dodatkiem stopowym jest chrom, a także domieszki bolibdenu, tytanu oraz niobu.

Nosi miano ferrytycznej ze względu na obecność ferryty w budowie stopu. Ferryt to stały roztwór węgla, który widziany pod mikroskopem posiada ziarnistą, jasnoszarą strukturę. Roztwór zawiera małe ilości węgla w żelazie, nie większe niż 0,0025%.
Stal ferrytyczna jest materiałem ciągliwym i miękkim.

Grupy stali ferrytycznych Stal ferrytyczną możemy podzielić na trzy podstawowe grupy zgodnie z układem potrójnym Fe – Cr – C dla stałych zawartości chromu tj. 13, 17 i 25 % oraz zawartości węgla w granicach 0 do 1 % (rysunek poniżej). Z wykresów możemy określić zakresy występowania poszczególnych faz. Szczegółowo opisać to można następująco: Przy 13 % Cr ferryt występuje tylko przy niskich temperaturach i małej zawartości węgla, a od 0,1 % C (przy 1100 oC) jest już jednorodny γ (austenit) i można go hartować. Podobnie jak C działa N. Przy 17 % Cr (i poniżej 0,05 % C) ferryt istnieje aż do solidusu, a austenit jednorodny przesuwa się w stronę większych zawartości Cr dlatego typowe stale martenzytyczne zawierają 13 % Cr. Przy 25 % Cr ferryt też istnieje do temperatury solidusu lecz nie występuje w ogóle pole jednorodnego γ natomiast zakres α + γ jest tylko przy wysokich temperaturach, a w równowadze z α występują węgliki M23C6. Wprowadzenie do żelaza min 10,5 % Cr wywołuje nagły wzrost potencjału elektrochemicznego, a tym samym skokowo zwiększa się odporność tych stopów na korozję. Stopy żelaza z chromem o większych zawartościach chromu przy bardzo małej zawartości węgla mają strukturę ferrytyczną. Przy zawartości 17 % Cr i C < 0,05% ferryt jest stabilny, aż do temperatury topnienia. Jeżeli stale zawierają ok. 13 % Cr i mały dodatek węgla lub azotu, to w zakresie temperatur 1000 – 1100 oC pojawia się pole dwufazowe (ferryt + austenit), które rozszerza się ze wzrostem zawartości węgla. Dzięki temu stale te można hartować na martenzyt. Stale o wysokich zawartościach chromu cechuje duża hartowność, mogą być hartowane na powietrzu, nie mają w ogóle zakresu przemiany bainitycznej, lecz perlityczną z maksimum w temperaturze 700 oC. W celu otrzymania struktury perlitycznej należy je po obróbce plastycznej wygrzać w temperaturze 700 oC przez 2 godziny. Po zahartowaniu stale te zawierają duże ilości austenitu szczątkowego. Tworzeniu się martenzytu w tych stalach można zapobiec przez wprowadzenie tytanu w ilości koniecznej do związania węgla i azotu. Również aluminium stabilizuje ferryt i wiąże azot. Jak widać zakres stopów czysto ferrytycznych ograniczony jest do bardzo niskich zawartości węgla a powyżej 0,25 % C przy 25 % Cr nie można osiągnąć całkowitego rozpuszczenia węglików poniżej około 1250 oC.

Stal austenityczna

Stale austenityczne należą do najczęściej stosowanych w tej grupie materiałów. Dodatek 8% niklu w stali o stężeniu 18% chromu zapewnia stalom odpornym na korozję trwałą strukturę austenityczną. Stale austenityczne charakteryzują się najlepszą odpornością na korozje a ich własności mechaniczne zawierają się w zakresie od 450 do 950 MPa.

Wytrzymałość

W miarę wzrostu dodatków stopowych, głównie chromu i molibdenu może jeszcze bardziej poprawić odporność na korozje. Dla uzyskania dobrych własności technologicznych konieczna jest struktura drobnoziarnista. Końcowym etapem obróbki jest wyżarzanie odpuszczające w temperaturach 1000 i 1150 stopni z późniejszym chłodzeniem w wodzie lub na powietrzu.

Stale te nie są hartowalne.

Ich niską granicę plastyczności i niezbyt dużą wytrzymałość na rozciąganie rekompensuje dobra ciągliwość a przede wszystkim udarność (w temperaturze pokojowej oraz w temperaturach ujemnych) Mają bardzo dobre zdolności do przeróbki plastycznej na zimno.

Zastosowanie:

• Środowiska wodne o bardzo dużym stopniu agresywności

• Przemysł chemiczny i petrochemiczny (urządzenia do produkcji kwasu azotowego i jego soli, rurociągi przemysłowe, wymienniki ciepła)

• Konstrukcje okrętowe, lotnicze, kolejowe

• Gospodarstwo domowe (zlewozmywaki, zmywarki do naczyń, naczynia kuchenne)

• Inżynieria budowlana (okładziny, pokrycia dachów, drzwi, poręcze, windy, przystanki autobusowe, budki telefoniczne, słupki ogrodzeniowe, lampy)

24.03.2009

Materiały nadprzewodzące

Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętlę. Większość materiałów wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15°C).

Należy zwrócić uwagę, że zerowa oporność elektryczna nie wystarczy do zdefiniowania nadprzewodnictwa. Materiały charakteryzujące się zerowym oporem elektrycznym nazywa się idealnymi przewodnikami. Co więcej, w stanie nadprzewodnictwa opór elektryczny dla nośników prądu (ale nie dla par Coopera) jest nadal niezerowy. Poprawne określenie wymaga spełnienia jednocześnie dwóch warunków

-zaniku oporu elektrycznego

-doskonałego diamagnetyzmu materiałów nadprzewodzących (zwanym efektem Meissnera).

Istnieją także nadprzewodniki, w których w pary Coopera łączą się nie elektrony, lecz dziury. Przewodnictwo dziurowe wykazuje większość nadprzewodników drugiego rodzaju (wyjątkiem jest np. Nd2-xCexCu4-δ).

Zgodnie z prawem Ohma, podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik na przewodniku powstaje pewien spadek napięcia, a z powodu niezerowego oporu elektrycznego wydziela się energia w postaci ciepła.

Obecnie stosowanym modelem opisu nadprzewodnictwa jest teoria BCS zakładająca, że jest to proces kolektywny, pojawiający się jako efekt zaniku drgań anharmonicznych sieci krystalicznej materiału w niskiej temperaturze. Prowadzi to do pojawienia się sprzężenia pomiędzy elektronami przewodnictwa i stanami fononowymi w sieci krystalicznej. Sprzężenie to pozwala na "sparowanie" elektronów w tzw. pary Coopera. Para Coopera to rodzaj wzbudzenia elektronowo-fononowego: są to dwa elektrony związane ze sobą dzięki oddziaływaniu z siecią krystaliczną, czyli wymianie fononów.

Pary Coopera, będące bozonami, mogą się skondensować na jednym poziomie energetycznym. Dla materiałów nadprzewodzących poziom ten jest odseparowany od innych poziomów przerwą energetyczną oraz charakteryzuje się niezerowym pędem: pary się poruszają. W niskiej temperaturze żadna z par nie może się "wyswobodzić", bo musiałaby pokonać przerwę energetyczną, a to wymaga energii, która w normalnym materiale jest dostarczana dzięki drganiom anharmonicznym sieci krystalicznej. W niskiej temperaturze drgania te jednak nie występują, obecne są tylko drgania harmoniczne.

W efekcie pary są trwałe i muszą się poruszać: tak powstaje ruch ładunków i stąd wynika jego odporność na zaburzenia. Istotą zjawiska nadprzewodnictwa jest jego kolektywny charakter oraz fakt, że nośnikami prądu elektrycznego są w nadprzewodnikach pary elektronowe o ładunku 2e. Szczątkowy opór elektryczny nie może doprowadzić do rozpraszania par Coopera, gdyż nie jest możliwe pokonanie przerwy energetycznej w ten sposób i nie istnieją tym samym stany kwantowe do jakich miałaby się para rozproszyć.

Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje nadprzewodnictwa:

-nadprzewodnictwo niskotemperaturowe - odkryte w 1911 przez holenderskiego fizyka Kamerlingha-Onnesa (Nagroda Nobla w 1913) dla rtęci. Występuje w temperaturach poniżej 30 kelwinów, dla czystych metali i stopów metalicznych będących w większości nadprzewodnikami I rodzaju. Nadprzewodnictwo to jest dobrze opisywane przez teorię BCS.

-nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe - zaproponowane przez Georga Bednorza i Múllera w 1986 roku. Występuje w temperaturze powyżej 30 kelwinów, ten typ nadprzewodnictwa wykazują materiały tlenkowe o charakterze ceramik i będące nadprzewodnikami II rodzaju. Na razie nie ma teorii wyjaśniającej to zjawisko. Najwyższa temperatura krytyczna wynosi obecnie 138 K (-135,15°C) dla związku (Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33.

Podjęto próbę opisania nadprzewodnictwa teorią fenomenologiczną zbliżoną do zależności stosowanych w termodynamice. Przejście między stanem normalnym oraz stanem nadprzewodnictwa potraktowano jako przejście fazowe, takie jak np. skraplanie się gazu. W ten sposób powstała teoria nadprzewodnictwa Ginsburga-Landaua.

Metal	TC [K]	TC [°C]
Al	1,2	-271,95
In	3,4	-269,75
Sn	3,7	-269,45
Hg	4,2	-268,95
Ta	4,5	-268,65
V	5,4	-267,75
Pb	7,2	-265,95
Nb	9,3	-263,85

Poszukiwania i zastosowania materiałów nadprzewodzących

Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej rezystywności. Obecnie substancjami o najniższej rezystywności w temperaturze pokojowej są srebro i miedź.

Podczas analizy właściwości metali i stopów zauważono, że ich rezystywność maleje wraz z temperaturą. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu niektóre substancje stają się nadprzewodnikami, co potwierdzono empirycznie (bez źródła napięcia utrzymano przepływ stałej wartości prądu w pętli przez około 2 lata, przerywając po tym czasie doświadczenie jako zbyt kosztowne). Do substancji takich należą aluminium, cyna oraz wiele innych metali i niektóre półprzewodniki. Dobre właściwości mają również spieki i związki miedzi i tlenu. Nadprzewodnictwo nie występuje w metalach szlachetnych (złoto, srebro) i ferromagnetykach (żelazo i jego stopy).

Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak jest to temperatura zbyt niska dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej (a więc do ok. 20 °C).

Tym niemniej nadprzewodniki działające w temperaturze ciekłego helu są już praktycznie wykorzystywane w szczególnych sytuacjach. Przykładem są tu nadprzewodnikowe elektromagnesy stosowane w aparatach NMR, w których generują one bardzo silne pola magnetyczne przy niewielkim poborze mocy, potrzebnym głównie do utrzymywania nadprzewodnika w niskiej temperaturze (jak np. minimalizacja strat ciekłego helu, w którym jest zanurzony). Podobne elektromagnesy są też stosowane w przemysłowych generatorach plazmy oraz w akceleratorach cząstek elementarnych.