Materiałoznawstwo - egzamin - AGH - IMIR

1. Zniszczenie przez odkształcanie plastyczne na zimno jego dyslokacyjny mechanizm. Mechanizmy umocnienia stopów metalicznych, roztworowy, wydzieleniowy, dyslokacyjny, przez granice ziaren. Statyczna krzywa rozciągania metali (stali), jej parametry E, Rm, Re, Ar, A5.

Pod pojęciem zniszczenia rozumiemy trwałe odkształcenie elementu wywołane różnymi czynnikami.

Wywierając nacisk na materiał, powyżej pewnego poziomu krytycznego następuje jego odkształcenie powyżej granicy plastyczności, doprowadzając do zniszczenia elementu konstrukcji.

Ma to związek z poślizgiem dyslokacji pod wpływem naprężeń ścinających działających na materiał. Wyróżniamy dwa rodzaje linii dyslokacji: liniową i śrubową.

Każda przeszkoda na drodze przemieszczającej się dyslokacji powoduje umocnienie materiału.

Utwardzanie wydzieleniowe: składa się z dwóch zabiegów: przesycenia i starzenia. Przesycenie uzyskuje się dzięki nagrzaniu materiału do temp rozpuszczenia składnika umacniającego i następnie szybkim schłodzeniu. Uzyskujemy przesycony materiał. W wyniku starzenia z przesyconego materiału zaczynają wydzielać się cząstki, stające na drodze linii dyslokacji i silnie umacniające materiał. Starzenie może następować naturalnie (bardzo powoli). Istnieje również możliwość przyspieszenia procesu poprzez podgrzanie materiału.

Umocnienie roztworowe: polega na wprowadzaniu do stopu atomów obcych, zastępujących w sieci krystalicznej atomy rodzime, co w dużym stopniu utwardza materiał

Umocnienie dyslokacyjne: uzyskuje się je przez odkształcanie materiału. Gęstość linii dyslokacji rośnie, spotykają się one z liniami ulokowanymi na innych płaszczyznach co w końcowym efekcie umacnia materiał.

Statyczna krzywa rozciągania: Najważniejszym parametrem otrzymywanym z SKR jest granica plastyczności Re-podstawa obliczania wytrzymałości. Nie jesteśmy w stanie jednoznacznie określić Re - dlatego stosuje się pewne zaokrąglenia. Na krzywej można wyróżnić 3 fazy:

1. Zakres odkształceń sprężystych

2. Zakres odkształceń równomiernych - Granica wytrzymałości Rm

3. nierównomiernych odkształceń plastycznych

Krzywą taką otrzymujemy poprzez graficzny zapis odczytów zrywarki.

Plastyczność charakteryzuje An -wydłużenie względne po zerwaniu na umownej długości pomiarowej (najczęściej 5 lub 10 średnic A5, A10).

Ważną charakterystyką plastyczności jest wydłużenie równomierne Ar - równomierne odkształcenie plastyczne do momentu tworzenia się szyjki na próbce.

2. Zniszczenie przez katastroficzne (kruche) pękanie, wiązkość Gc, współczynnik intensywności naprężeń K=σ a ,krytyczny współczynnik intensywności naprężeń Kc=σ a_kr .

Kruche (katastroficzne) pękanie obserwuje się w konstrukcjach wykonanych z materiałów o dużej wytrzymałości. Przy dużym obciążeniu konstrukcja taka w swej objętości magazynuje dużą ilość energii sprężystej. Gdy uwalniana podczas rozwoju pęknięcia energia sprężysta Us będzie równa (lub większa) od energii potrzebnej do utworzenia nowych powierzchni rozdziału (S) UR=Gc*S (Gc-wiązkość, energia potrzebna do powstania jednostki m2 powierzchni ) to nastąpi katastroficzne -rozprzestrzeniające się szybkością dźwięku pęknięcie. Zwykle, po zapoczątkowaniu pęknięcia, uwalniana energia sprężysta przewyższa ilość energii potrzebnej do rozwoju nowych powierzchni rozdziału -jej nadmiar często demoluje otoczenie, stąd nazwa „katastroficzne”

Nazwa „kruche” związana jest z tym że na powierzchni pęknięcia nie obserwuje się wyraźnych śladów deformacji plastycznej.

3. Zniszczenie przez cykliczne zmęczenie, krzywa Wohlera. Zmęczenie nisko i wysoko cyklowe.

Zniszczeniem przez zmęczenie nazywamy procesy zachodzące pod wpływem zmiennych naprężeń które mogą być:

Wyższe od granicy plastyczności Re -Zmęczenie Niskocyklowe

Niższe od granicy plastyczności Re - Zmęczenie Wysokocyklowe

Definicja wytrzymałości zmęczeniowej wynika z zależności między wielkością amplitudy naprężenia zmiennego σ a liczbą cykli wywołujących pękniecie N. Zależność taka jest przedstawioną za pomocą krzywej Wohlera.

Do wyznaczenia krzywej Wohlera stosuje się pulsatory lub specjalne liczniki obrotów liczące liczbę cykli, po której następuje złamanie próbki.

Zmienne naprężenia powodują zniszczenia narażonego elementu przy znacznie niższych naprężeniach niż przy działaniu jednokierunkowego naprężenia statycznego. Wytrzymałość zmęczeniowa ma duże znaczenie przy doborze materiału, jak i przekrojów czynnych konstrukcji

4. Zniszczenie przez pełzanie materiałów, temperatura krytyczna, krzywa pełzania przy stałym T i σ, charakterystyki pełzania, (R_z/t, R_/t).

Materiały pracujące w podwyższonych temp. odkształcają się trwale przy naprężeniach znacznie niższych od granicy plastyczności, a odkształcenie zachodzi przy stałym naprężeniu i jest zależne od czasu. Takie odkształcenie nazywamy pełzaniem.

Zwykle w próbie pełzania wyznacza się jedną z dwóch własności umownych:

• granicę pełzania to jest naprężenie, które w określonym czasie τ wywołuje wydłużenie o określonej wielkości α, co oznaczamy symbolem R_{α(τ) C};

• wytrzymałość na pełzanie to jest naprężenie, które po upływie określonego czasu τ powoduje zerwanie próbki, co oznacza się symbolem R_{Z(τ) C}, przy czym ⁰C oznacza temperaturę badania.

Typowym wykresem jest poniższy wykres, w którym możemy wyróżnić trzy zakresy, odpowiadające trzem stadiom pełzania.

Stadium I - cechuje się zmniejszeniem nachylenia krzywej, co wskazuje na spadek prędkości pełzania. W okresie tym decydującą rolę odgrywają procesy, które umacniają materiał, jak wzrost gęstości defektów, zgniot oraz procesy wydzielania. Z upływem czasu zaczynają się rozwijać procesy przeciwdziałające umacnianiu, aż wreszcie ustala się równowaga dynamiczna materiału. Od tego momentu zależność wydłużenia od czasu jest prostoliniowa (stadium II). Do czynników osłabiających należą: zdrowienie i rekrystalizacja lub rozpuszczanie wydzieleń. W stadium III następuję wzrost nachylenia krzywej, co jest związane ze zwiększeniem naprężeń w wyniku zmniejszenia czynnego przekroju próbki. Zmniejszenie to jest spowodowane powstaniem wewnętrznych pustek wskutek poślizgu po granicach ziarn, a następnie utworzeniem się szyjki.

Odkształcenie w wyniku pełzania jest wynikiem zachodzenia trzech różnych procesów:

• dyfuzyjnego ruchu wakacji między obszarami znajdującymi się pod działaniem naprężeń rozciągających i ściskających

• ruchu dyslokacji przez poślizg i wpinanie w ziarnach

• poślizgu po granicach ziarn

Krzywa pełzania (T i σ = const)

5. Zniszczenie przez powierzchniowe utlenianie przy wysokich temperaturach. Czynniki określające skłonność do wysokotemperaturowego utleniania -kinetyki procesu. Materiały (pierwiastki) odporne na utlenianie.

Działanie atmosfery pieca na stal. W piecach bez atmosfer ochronnych na stal działa nagrzane do wysokiej temperatury powietrze, w wyniku czego występują dwa niekorzystne zjawiska: utleniania i odwęglania stali.

W atmosferze pieca ogrzewanego spalinami gazu mogą znajdować się — oprócz azotu — takie gazy, jak: CO₂, CO, H₂, H₂O, węglowodory C_xH_y i związki siarki H₂S i SO₂.

Utlenianie następuje mechanizmem dyfuzji reaktywnej. W pierw­szym etapie tworzy się warstwa tlenków żelaza (zgorzeliny), której gru­bość x jest uwarunkowana dyfuzją atomów żelaza i tlenu przez warstwę, a więc rośnie z czasem  wg wzoru: x² = P, gdzie P — stała zależna wykładniczo od temperatury.

Równania nie stosuje się, jeśli warstwa tlenków jest nieszczel­na i łatwo odpryskuje od podłoża. Wtedy proces utleniania jest szybszy.

Najczęściej utlenianie następuje wg reakcji

a) 2Fe + O2 2FeO,

b) Fe + CO2 FeO + CO,

c) Fe + H₂O FeO + H₂.

Sposoby ochrony przed wysokotemperaturową korozją:

• nanoszenie warstwy na powierzchnię materiału (Al, Si, Cr),

• wprowadzenie do struktury stali (Al, Si, Cr).

6. Zniszczenie powierzchniowe przez korozję elektrochemiczną (atmosferyczną). Mechanizm -czynniki określające podatność na korozję, metody ochrony.

Zniszczenie przez powierzchniową korozję elektrochemiczną. Utlenianie przebiegające intensywnie przy wysokich temperaturach, przy temperaturach klimatycznych (+/-20 `C) jest b. wolne. Tym niemniej tworzywa metaliczne mogą ulegać zniszczeniu wskutek obecności wilgoci (wody) w której rozpuszczają się inne pierwiastki (O-2, Cl-1, SO4-2) tworząc elektrolit. Powoduje to powstawanie na powierzchni stopu mikroogniw korozyjnych.

Ogniwo korozyjne powstaje również przy połączeniu dwóch metali o różnej elektroujemności - metal o wyższej elektroujemności staje się katodą i jest chroniony przed korozją. Metal o niższej elektroujemności staje się anodą i narażony jest na działanie korozji. Przykładem jest połączenie Cu-Fe - żelazo będzie korodowało dużo szybciej, gdyż stanie się anodą. Innym przykładem jest połączenie Fe-Zn - w tym przypadku żelazo będzie obszarem katodowym, dzięki czemu będzie odporne na korozję, natomiast Zn przejmie rolę anody i będzie się utleniał (korodował).

Dodatnie anodowe atomy łączą się z tlenem - korodują

Ujemne atomy katodowe oddają elektrony powodując reakcjęH2O+ O2 + 4e- = 4OH-

Czym niższy potencjał anodowy pierwiastka tym większa skłonność do korozji jest to analogia energii utleniania.

Podobnie jak podczas utleniania szybkość korozji zależy od budowy (szczelności) powstającej warstwy produktów korozji.

Rozróżniamy kilka typów korozji elektrochemicznej:

- korozja równomierna

- korozja wżerowa

- korozja międzykrystaliczna

- korozja naprężeniowa

- korozja zmęczeniowa

Odporność na korozję możemy zwiększyć poprzez:

• zmianę składu chemicznego, objętościowo w procesie wytwarzania lub powierzchniowo przez obróbką cieplno-chemiczną lub platerowanie

• obróbkę cieplną prowadzącą do jednofazowej struktury, wyżarzanie odprężające jest zalecane w celu zapobiegania korozji naprężeniowej

• nanoszenie na powierzchnię powłok ochronnych metalowych lub niemetalicznych, takich jak farby, lakiery, emalie smary tworzywa sztuczne, a także wytwarzanych metodami inżynierii powierzchni

• ochronę katodową, anodową, protektorową i wprowadzanie do ośrodków korozyjnego inhibitorów

• poprawę czystości atmosfery

Materiały niemetaliczne:

7. Struktura polimerów, budowa molekuł (ich wielkość -stopień polimeryzacji), kopolimeryzacja, budowa amorficzna- częściowa krystalizacja, sieciowanie- (na przykładzie gum), wpływ na własności.

Polimery to związki wielkocząsteczkowe, spotykane w przyrodzie (celuloza, skrobia, kauczuk). W technice zastosowanie znajdują głównie polimery pochodzenia syntetycznego lub przetworzone z naturalnych surowców takich jak ropa, gaz ziemny. Rozróżniamy pojęcia: polimer, „tworzywo sztuczne” - tworzywo sztuczne = polimer + dodatki - ma swoją nazwę handlową zależną od składu i producenta.

Budowa molekuł - polimery posiadają najczęściej długie liniowe lub rozgałęzione molekuły, składająca się z jednakowych powtarzających się elementów zwanych merami. Ilość merów w molekule wacha się zwykle od 1000 do 100 000. Masa cząsteczki może dochodzić do 1000 000 j.m.a. Od wielkości cząsteczki zależy stan substancji (np. polietylen (CH2)n przy 20 `C i stopniu polimeryzacji n<200 jest gazem, 200<n<500 cieczą, a n>500 ciałem stałym). Każda cząsteczka charakteryzuje się stopniem polimeryzacji „n”. Nie wszystkie cząstki w danym materiale mają taki sam stopień polimeryzacji. Molekuła może być zbudowana z jednakowych merów (homopolimery) lub z różnych (kopolimery). W przypadku kopolimerów mamy do czynienia z korzystnymi, uśrednionymi właściwościami polimeru, będącymi wypadkową właściwości merów wchodzących w skład molekuł. Wewnątrz molekuł występują silne wiązania kowalencyjne. Pomiędzy molekułami działają stosunkowo słabe siły Van der Waalsa. Czasami jednak mamy do czynienia z silnymi wiązaniami pomiędzy molekułami - mamy wtedy do czynienia z sieciowaniem (w przypadku gum mamy do czynienia z sieciowaniem za pomocą siarki. Molekuły nie mogą przemieszczać się między sobą i występują tylko oddziaływania sprężyste - odkształcenia plastyczne zachodzą w małej mierze).

Własności polimerów zależą w dużej mierze od rodzaju rozmieszczenia molekuł. Może ona być regularna-krystaliczna jak również bezpostaciowa (amorficzna). Charakterystyczną cechą budowy krystalicznej jest to, że cząstki są ułożone regularnie.

Stopień krystalizacji może wynieść od 0 do 100%. Jego wielkość uzależniona jest od technologii produkcji. Budowa krystaliczna wpływa na własności polimeru - im większy stopień krystalizacji tym większa twardość, granica plastyczności, gęstość, natomiast maleje udarność.

Polimery o budowie amorficznej uzyskuje się najczęściej poprzez odparowanie z roztworu polimeru rozpuszczalnika.

8. Ogólne własności polimerów (ciężar właściwy, przewodność i inne). Składniki modyfikujące własności polimerów (napełniacze, pigmenty,... i inne).

Ogólne właściwości polimerów są wypadkową różnych czynników, m.in.: składu chemicznego, struktury wynikającej z technologii otrzymywania polimerów. Przy czym w porównaniu z metalami własności polimerów są w większym stopniu zależne od technologii ich otrzymywania i zawierają się w większym zakresie wartości.

Wszystkie polimery są nieodporne na starzenie się pod wpływem światła, wody, powietrza.

• gęstość [g/cm³] - od 0,9 do 2,2. Najmniejszą gęstością charakteryzują się polimery, które zbudowane są z węgla i wodoru, największą polimery zawierające tlen, azot, fluor, chlor. Gęstość jest także uzależniona od stopnia krystalizacji, dla tego samego materiału o różnych stopniach krystalizacji różnica gęstości może sięgać kilku procent.

• chłonność wody - od 0,0n% (dla polietylenu, poliestyrenu) do 1n% (dla celulozy). Zależy bardzo silnie od stopnia krystalizacji K (gdy K - maleje wtedy chłonność rośnie co tłumaczy się tym, że cząsteczki wody łatwo wnikają w obszary amorficzne). Po wchłonięciu wody przez polimery następuje zmiana geometrii, pęcznienie, spada wytrzymałość o 30-40%.

• rozpuszczalność w rozpuszczalnikach - cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać pomiędzy liniowe molekuły - zmniejszają się wtedy siły międzycząsteczkowe. Początkowo powoduje to pęcznienie, dalsza penetracja może doprowadzić do powstawania roztworów. Roztwory takie można wykorzystywać jako kleje lub do pokrywania polimerem powierzchni (farby emulsyjne) - po odparowaniu rozpuszczalnika na powierzchni pozostają równomiernie rozłożone cząsteczki polimerów.

• odporność chemiczna - istnieją polimery które nie ulegają zniszczeniu w zetknięciu z silnie reagującymi substancjami chemicznymi (np. teflon - mogący służyć do przechowywania wody królewskiej) jednak większość polimerów jest nieodporna na działanie rozpuszczalników organicznych.

• ciepło właściwe - kilka razy mniejsze od ciepła właściwego metali, przewodność cieplna polimerów jest także mniejsza niż metali. Dlatego wykorzystuje się polimery jako bardzo dobre izolatory cieplne. Właściwości te są potęgowane poprzez wspienianie. Właściwość ta jest jednak wadą gdy mamy do czynienia z tarciem, np. w łożyskach ślizgowych gdzie wydzielane ciepło musi zostać szybko odprowadzane aby nie dopuścić do wzrostu temp. i termicznego zniszczenia polimeru. Zapobiega się temu wykonując jeden z elementów ciernych z metalu. Polepszenie przewodności cieplnej można osiągnąć przez dodawanie jako napełniaczy proszków metalowych lub grafitowych.

• rozszerzalność cieplna - około kilkanaście razy większa niż metali. Powoduje to kłopoty we współpracy z metalami poprzez niedopasowanie współpracujących ze sobą elementów w czasie zmizny temperatury.

• przewodność elektryczna - polimery są doskonałymi izolatorami. Jest to efektem istnienia wiązań kowalencyjnych co powoduje, że nie istnieje wewnątrz materiału gaz elektronowy, który umożliwiałby przewodzenie. Zjawisko to eliminują w pewnym stopniu napełniacze - antystatyki. W warunkach laboratoryjnych możliwe jest uzyskanie tworzyw sztucznych o stosunku przewodności do ciężaru, lepszej niż miedzi jednak nie znalazły one szerszego zastosowania ze względów ekonomicznych.

Dodatki:

1. Plastyfikatory - zmiękczacze

Polimery w czystej postaci są materiałami kruchymi w barwie biło-żółtej o włściwościach powodujących, że niemożna go bezpośrednio wykorzystywać do wielu zastosowań. Zmiękczacze - substancje których małe cząsteczki wnikając pomiędzy cząsteczki polimerów powodują zwiększenie odległości pomiędzy cząsteczkami polimeru i tym samym osłabienie więzi między nimi. Powyższy proces powoduje polepszenie plastyczności i udarności, ale też

pogorszenie wytrzymałości.

2. Środki poślizgowe i smarujące

Większość tworzyw termoplastycznych jest przetwarzana w podwyższonych temperaturach. Po przetworzeniu następuje ochłodzenie matrycy. Wybicie wytłoczki z matrycy jest możliwe dzięki dodatkom poślizgowym.

3. Antystatyki - domieszki zwiększające przewodność elektryczną.

Spoistość materiałów wykonanych z wykorzystaniem polimerów zostaje zachowana dzięki istnieniu między polimerami sił kowalentnych (Van der Wallsa) dzięki czemu w przestrzeni międzyatomowej nie występuje gaz elektronowy. To powoduje, że materiały wykonane z wykorzystaniem polimerów są doskonałymi izolatorami i na ich powierzchni gromadzą się ładunki elektrostatyczne o dużych wartościach. Zjawisko to zostaje ograniczone poprzez dodawanie antystatyków, jednak nie zostaje zlikwidowane całkowicie co zawęża zakres zastosowań tworzyw sztucznych do przypadków w których powyższa włściwość nie odgrywa dużej roli.

4. Środki utrudniające palenie się polimerów

Fakt szerokiego stosowania w życiu codziennym tworzyw sztucznych produkowanych z wykorzystaniem polimerów przy jednoczesnej łatwopalności tych tworzyw spowodował, że zwrócono uwagę na niebezpieczeństwo jakie stwarzają one w czasie pożaru. Przy wzroście temp. następuje między innymi rozkład termiczny w wyniku którego wydzielają się niebezpieczne dla życia gazy, oprócz tego następuje gwałtowne wydzielanie się energii cieplnej wzmagające pożar. Sposobem na zapobieżenie tego typu niebezpiecznym sytuacjom jest dodawanie do składu tworzyw sztucznych substancji pochłaniających duże ilości ciepła tym samym zapobiegając powstaniu płomienia i rozszarzenia pożaru.

5. Profory - środki spieniające

W wyniku dodania do polimeru środków powodujących w czasie przetwarzania (utwardzania) wydzielanie się gazów w całej objętości, tworzy się porowata struktura materiału. Utworzone w ten sposób materiały posiadają doskonałe właściwości izolujące termiczne i akustyczne, dzięki czemu znajdują szerokie zastosowanie w budownictwie (styropian).

6. Środki barwiące

a) pigmenty - powodują nieprzezroczyste zabarwienie,

b) barwniki - powodują przezroczyste zabarwienie

7. Stabilizatory

To substancje, które zapobiegają starzeniu się materiałów pod wpływem powietrza, światła, wody. Inhibitory - substancje przedziwdziałające usieciowaniu i polimeryzacji, umożliwiając przechwywanie żywic i granulatów przez wyraźnie dłuższy okres niż bez inhibitorów.

8. Napełniacze - substancje makroskopowe

- w postaci proszków - kwarc, porcelana, grafit, metale, tlenki metali. Cząsteczki proszku zawarte w polimerach powodują (dzięki dużej twardości proszku), że zwiększa się twardość i odporność na ścieranie tak powstałego materiału.

Jeżeli proszkiem jest grafit to w czasie ścierania wydostaje się on na powierzchnię smarując ślizgające się po sobie elementy, zmniejszając tym samym współczynnik tarcia. Oprócz tego stosując grafit jako wypełniacz zwiększa się przewodność elektryczną danego materiału, co zapobiega gromadzeniu się ładunku na powierzchni tworzywa sztucznego.

- w postaci włókien (np. szklanych węglowych, azbestowych, bawełnianych). Tego typu napełniacze zwiększają wytrzymałość i udarność. Jedną z form stosowania włókien jako napełniaczy jest splatanie ich w maty i stosowanie w tej postaci.

- w postaci arkuszy - napełniaczami są tutaj wspomniane wyżej maty splecione z włókien. Materiały takie nazywane są kompozytami, przykładem może być kompozyt materiału bawełnianego związany tworzywem fenolowym - tekstolit.

9. Zależność własności mechanicznych polimerów od temperatury -ich specyfika (w porównaniu z metalami), metody oceny.

Materiały metaliczne zbudowane są z atomów o jednakowych masach atomowych, które ułożone są w sposób regularny. W przestrzeni pomiędzy nimi występują jednakowe siły. Podwyższona temperatura takiego układu powoduje spadek własności mechanicznych (udarność, granica plastyczności, twardość). Po osiągnięciu temperatury topnienia własności gwałtowanie spadają.

Polimery składają się z molekuł o różnej masie cząsteczkowej. Siły oddziaływania pomiędzy nimi są różne, zależą od wielkości i kształtu molekuł. Posiadają zwykle strukturę dwufazową (krystaliczną i amorficzną). Wzrost temperatury wpływa odmiennie na obie fazy. Ich topnienie zachodzi przy różnych temperaturach. Czynniki te powodują, że zależność własności od temperatury ma bardzo złożony charakter i jest trudna do określenia. Charakterystyczna dla każdego polimeru temperatury to: Tz- temp. zeszklenia (analogia do temp krzepnięcia metali); Tp - temp. płynięcia (temperatura topnienia metali); Tr - temp. rozpadu. Na tej podstawie można wyznaczyć trzy podstawowe stany polimeru:

1. stan szklisto kruchy T<Tz

2. stan kauczukopodobny (elastyczny) Tz<T<Tp

3. stan lekkopłynny Tp<T<Tr

W stanie A polimery są sztywne i twarde. Posiadają niską udarność i dużą kruchość. Powodem tego jest zamrożenie molekuł - nie mogą się one przemieszczać względem sibie

W stanie B molekuły mogą nieznacznie zmieniać swoje położenie względem siebie. Zwykle spowodowane jest to roztopieniem fazy amorficznej.

Stan C charakteryzuje się dużą plastycznością. Molekuły mogą przemieszczać się i dowolnie formować. Polimer zachowuje się jak ciecz o dużej lepkości.

W przypadku polimerów termo i chemoutwardzalnych niemożliwe jest uzyskanie stanu „C”, gdyż ich temp. rozpadu jest niższa od temp. płynięcia.

Ocena odporności cieplnej polimerów:

- za pomocą temperatury mięknienia - wartość temp. przy której materiał zaczyna mięknąć przy stałym wzroście temp 50k/h - obciążony penetrator naciska na próbkę - w momencie, gdy odkształcenie wynosi 1 mm odczytuje się pomiar temperatury - jest to temperatura mięknienia

- za pomocą temperatury ugięcia pod obciążeniem.

- za pomocą maksymalnej dopuszczalnej temperatury eksploatacji - jest to temperatura dla której producent gwarantuje zachowanie wszystkich własności użytkowych

10. Ogólny podział tworzyw sztucznych - klasyfikacja przetwórcza. Najpopularniejsi przedstawiciele poszczególnych grup.

Podziału tworzyw sztucznych dokonuje się ze względu na technologię ich przetwarzania.

1. Tworzywa termoplastyczne

2. Tworzywa termoutwardzalne

3. Tworzywa chemoutwardzalne

A - to tworzywa które pod wpływem temperatury stają się plastyczne (przechodzą do stanu lekkopłynnego) i w takim stanie dają się formować. Po schłodzeniu zachowują zadany kształt. Tworzywa termoplastyczne należą do najpopularniejszych tworzyw sztucznych. Główni przedstawiciele:

1. - poliofeliny - polietylen PE (CH2)n; polipropylen PP

2. - polichlorek winylu PVC (C2H3Cl)n

3. - polistyren PS

4. - poliamidy - nylon; stilon; karpon

5. - polimetakrylan metylu: pleksi

6. - tworzywa fluorowe: teflon

7. -poliwęglany

B - to grupa tworzyw, które pod wpływem temperatury sieciują, przechodząc w stan szklisty. Przed utwardzeniem mają konsystencję gęstego oleju lub proszku. Stan utwardzenia jest stanem nieodwracalnym

Przedstawiciele:

1. tworzywa fenolowe

2. tworzywa aminowe

3. silikony

C - materiały, które pod wpływem specjalnych inicjatorów sieciują, przechodząc ze stanu lepkiej cieczy w stan szklisty. Może to trwać od kilku minut do kilku godzin i jest stanem nieodwracalnym.

Przedstawiciele:

1. Poliestry

2. Żywice epoksydowe

11. Znane Ci grupy tworzyw termoplastycznych. Budowa, własności i zastosowanie polietylenu, polichlorku winylu, polistyrenu, poliamidów polimetakrylanu metylu, tworzyw fluorowych.

Tworzywa termoplastyczne stanowią ok.3/4 produkcji tworzyw sztucznych.

• poliolefiny Polietylen PE (CH4)n surowiec do produkcji: ropa naftowa, gaz ziemny, etylen Polietylen o małej gęstości (PEmg, PE-LD) polietylen wysokociśnieniowy o budowie rozgałęzionej. Temperatura płynięcia ok.115'C, temp. Zeszklenia 0'C. Polietylen o wysokiej gęstości(PEdg, PE-HD) polietylen niskociśnieniowy o budowie prawie liniowej. Temperatura płynięcia ok.137'C, temp. Zeszklenia-20'C. Obydwa polimery charakteryzują się wysokim stopniem krystalizacji(do96%). Około 40% produkcji PE to folie, a reszta zostaje przetworzona metoda wtryskowa na opakowania produktów spożywczych, folie, izolacje przewodów, rury. Polipropylen PP najlżejszy z polimerów gęstość 0,9g/cm3,lepsze własności mechaniczne niż polietylen. Maksymalna temp. Pracy to100-130'C. Wykonuje się z niego sprzęt medyczny(można go sterylizować), strzykawki, zaworki, trójniki.

• polichlorek winylu PVC (C2H3Cl)n. budowa liniowa(znikoma ilość odgałęzień bocznych od Łańcuta głównego). Głównego czystej postaci jest twardy i kruchy. PVC twardy 5-10 % zawartości plastyfikatory(winidur). Produkuje się z niego rury, dreny, ramy okienne, opakowania spożywcze; PVC miękki 10-60% zawartości plastyfikatory(igielit). Produkuje się z niego folie, węże ogrodowe, tapety. Wyroby z PVC SA mało odporne na wysokie temp. Powyżej 135'C może nastąpić rozkład termiczny, plastyfikatory podnoszą temp. Rozkładu, który wiąże się z wydzielaniem chloru.

• polistyren PS twardy przezroczysty materiał, łatwo dający się barwić. Nie domieszkowany jest twardy, mało plastyczny, należy do najlepszych dielektryków. Wytwarza się z niego opakowania na produkty spożywcze(oprócz tłuszczy i alkoholi), sprzęt elektroniczny. Dzięki modyfikacji 10-15 % kauczukiem syntetycznym-butadienem, otrzymujemy polistyren wysoko udarowy SB, modyfikacja polepsza udarność oraz zmniejsza kruchość. Jako tworzywa konstrukcyjne używa się kopolimerów kopolimerów butadienem i akrylonitrylem o częściowo usieciowanych molekułach. Zastosowanie telefony, korpusy telewizorów, opakowania kosmetyków. Jeżeli dodamy do polistyrenu środki spieniające(heptan pentan) to otrzymamy styropian.

• poliamidy PA charakteryzują się małym współczynnikiem tarcia, dużą odpornością chemiczna, proste w przetwarzaniu, możliwe jest stosowanie wielu technologii otrzymywania wyrobów: wtryskarki, polimeryzacja w formach, odlewanie od środkowe, natryskiwanie warstw i powłok. Zastosowanie 50 % to nici, tkaniny, liny, włókna pozostałe to elementy konstrukcyjne, koła zębate, śruby, nakrętki, łożyska (PA mają mały współczynnik tarcia dobrze wchłania smary). Stopień krystaliczności 30-50%, zapewnia korzystny stosunek wytrzymałości do plastyczności i udarności(na własności te ma wpływ ilość pochłoniętej wody). Całkowicie wysuszone tworzywo jest kruche i wrażliwe na uderzenia.

• polimetakrylan metylu PUMA (pleksi, szkło organiczne, metapleks) bardzo przezroczyste tworzywo. Umożliwia to budowanie układów optycznych o mniejszym ciężarze niż z wykorzystaniem szkła. Różne stopnie twardości uzyskuje się przez zastosowanie różnych rodzajów zmiękczaczy. Metapleks jest odporny na działanie kwasów nieorganicznych nieorganicznych nie jest odporny na kwasy organiczne. Posiada bardzo dobre właściwości skrawalnicze umożliwiające jego szlifowanie oraz polerowanie. Szkło organiczne zastosowanie w lotnictwie, optyce, produkcji aparatury medycznej.

• tworzywa fluorowe np. PTFE - politetrafluoroetylen (teflon). Duża odporność na działanie odczynników chemicznych, wysokiej temp. Pracy, wysokiej udarności i elastyczności, nie palne i niski współczynnik tarcia. Wady to mała odporność na pełzanie(występuje już przy 20'C), wysokie koszty wytwarzania, kłopoty przy przetwarzaniu(temp. Przetwórstwa ok.370'C jest bliska temp. rozkładu). Są to tworzywa miękkie, stosunkowo ciężkie. Własności zależne od stopnia krystaliczności (dochodzi do 96%) zależy od szybkości chłodzenia od 327'C. Zastosowanie: do wytwarzania aparatury chemicznej, uszczelek, pierścieni ślizgowych, powłok na garnkach.

12. Polimery termoutwardzalne fenolowe i aminowe - ich najpopularniejsze zastosowania (rezoteksy A, B, S; rezokard), porównanie własności.

Pod wpływem temperatury sieciują przechodząc w stan szklisty. Przed utwardzeniem maja konsystencje gęstego oleju lub proszku, stan utwardzenia jest stanem nieodwracalnym:

A: postać nieutwardzona bez napełniacza-żywice, z napełniaczem-tłoczywa

B: Postać utwardzona to zwykłe półwyroby: pręty, rury, profile, płyty, laminaty.

• Tworzywa fenolowe - występują w postaci: żywic - stosowane są jako kleje do łączenia w wyższej temperaturze warstw papieru lub tkaniny; tłoczyw-jako napełniacze dla nich stosuje się mączkę drzewną, kaolin. Wyrabia się z nich drobne elementy elektrotechniczne.

• Tworzywa aminowe - łatwo się je barwi na różne kolory, posiadają dobre własności klejące. Stanowią najczęściej warstwę zew. dekoracyjną. Używa się ich do produkcji laminatów warstwowych.

• Rezokard - laminat tani, zakres temperatur do 120C, RM ok100MPa, stosowany do obudów rozdzielni elektrycznych. Wada, brunatny trudno zmieniany kolor.

• Rezoteks B - tekstolit. Wykorzystując tkaninę bawełnianą jako osnowę otrzymujemy tekstolit. Laminat ten dobrze tłumi drgania. Wykonuje się z niego koła zębate (do 30 000 obr/min) max temp pracy 90-100 `C. Jest dobrym materiałem konstrukcyjnym o dużej udarności i wytrzymałości.

• Rezoteks A - zastosowanie tkaniny azbestowej jako napełniacz umożliwia podniesienie temp. pracy laminatu do ok. 250 `C. Niska przewodność cieplna powoduje, że rezoteks A jest doskonałym izolatorem

• Rezosteks S - jako napełniacz stosowane jest włókno szklane. Ma charakterystyczne trudne do zmienienia zabarwienie brązowe. Stosowany jako płytki z nadrukiem w elektronice.

13. Polimery chemoutwardzalne, własności i zastosowania poliestrów (polimale), żywic epoksydowych (epidiany).

Najczęściej w postaci dwuskładnikowej. Zasadniczy składnik (gęsty olej) i utwardzacz (mała lepkość, 0,1% obj. skł. zasadniczego). Po zmieszaniu następuje sieciowanie skł. zasadniczego w czasie od kilku min. do kilku godzin. Podgrzewanie przyspiesza proces, norma to 24h. Stosowane jako kleje, szpachlówki.

• Poliestry (3% ŚP) stosowane do laminatów, odlewów, uszczelnień, lakierów i klei. Słaba odporność chemiczna, mała wytrzymałość, maks. temp 60C, mała plastyczność. Zalety-niska cena, lekkość, odp. na korozje, łatwość formowania. Zastosowanie-kadłuby, boje, szalupy, breloczki i inna galanteria.

• Żywice epoksydowe - bardzo drogie tworzywo, lecz własności powodują duże zapotrzebowanie. Polska nazwa „epidian1-6”.Sprzedawany w postaci dwuskładnikowej w stosunku 1:10. Posiadają dużą masę cząsteczkową. Zalety: lepsza odporność chemiczna od poliestrów, twardość i wytrzymałość przy zachowaniu plastyczności, temp. Pracy 80-180C, dobre własności klejne. Zastosowanie: szpachlówki, materiały spieniane, powłoki ochronne, pasty regeneracyjne

14.Specyfika struktury i własności mechanicznych ceramik -w porównaniu ze stopami metali.

Materiały ceramiczne uzyskuje się przez wypalanie gliny zawierającej skaleń i krzemionkę. Odpowiednia regulacja zawartości tych składników pozawala kontrolować właściwości mechaniczne powstałych wyrobów ceramicznych. Glina po rozrobieniu z wodą pozwala na formowanie się w dowolne kształty. Skaleń pełni funkcję topnika, zaś krzemionka funkcję wypełniacza. Charakterystyczną cechą struktury ceramik jest istnienie wewnętrznych por, powstałych w wyniku odparowania wody. Ceramiki posiadają strukturę częściowo krystaliczną (do 40%), a jej własności zależą od rodzaju zastosowanej gliny. Współczesna technika pozwala na uzyskiwanie ceramik na bazie jednego związku (tlenku, azotku lub węglika) lub na bazie ich mieszaniny. Materiały ceramiczne uzyskane przy użyciu tlenków metali charakteryzują się wysoką temperaturą topnienia, bardzo niską skłonnością do utleniania, i bardzo wysoką wytrzymałością na ścieranie.

15. Szkło - jego struktura, ogólne własności, obróbka cieplna.

Szkło jest bezpostaciowym (amorficznym) ciałem stałym złożonym głównie z krzemianów, borków, aluminatów oraz związków metali: Ca, Mg, Ba, K, Na. Osnowę szklaną stanowi krzemionka SiO₂. Szkło uzyskane z czystej krzemionki posiada wysoką temperaturę topnienia 1724⁰C. Do szkła dodaje się borki i aluminaty w celu obniżenia temperatury topnienia do około 700- 800⁰C. W zależności od zastosowania dobiera się odpowiedni skład chemiczny szkła.

Własności szkła:

Gęstość - 2,2 -6,5 g/cm^3

Wytrzymałość na zgniatanie 50-120 MPa

Wytrzymałość na rozciąganie 30-90 MPa

Udarność 1,5-2,5 KJ/m

Twardość 5-7 (wg Mossa)

Własności optyczne:

Zwykłe szkło przepuszcza około 90% światła, odbija 9%, a pochłania 1%. (pochłania 95% promieni UV). Przy dużej zawartości ołowiu pochłania promieniowanie γ.

Odporność chemiczna:

Szkło jest odporne na wszystkie kwasy za wyjątkiem HF. Po dodaniu metali odporność zmniejsza się.

Wytrzymałość termiczna:

Jest to zdolność do wytrzymywania bez zniszczenia określonej różnicy temperatur, panującej po dwóch stronach płytki szklanej. Dla szkła budowlanego 90-180 `C.

Większość szkieł traci swe własności podczas eksploatacji w warunkach dużej wilgotności - tzw. zmęczenie statyczne.

Obróbka cieplna szkła:

Hartowanie - szkło płaskie hartuje się w celu polepszenia jego własności mechanicznych. Obróbkę tę przeprowadza się przez nagrzanie do temperatury wyższej niż temp. zeszklenia i równomiernym chłodzeniu. Hartowanie zwiększa wytrzymałość na zginanie od 6 do 8 razy oraz udarność 5-7 razy. Przyczyną zmiany właściwości nie jest zmiana struktury, lecz odpowiednie usytuowanie naprężeń wewnętrznych.

Wygrzewanie w cieczach krzemoorganicznych - Wygrzewanie to powoduje dyfuzję atomów krzemu do warstwy wierzchniej szkła, wypłukiwanie z niej potasu i innych dodatków, co w efekcie daje bardzo twardą powierzchnię tak obrobionego szkła.

16. Rodzaje materiałów szklanych, ich własności i zastosowania

Szkło wspienione - do szkła dodaje się substancje, które przy temperaturze zeszklenia wydzielają duże ilości gazów. Typowymi wspieniaczami są koks, węgiel, kreda. Po ich dodaniu otrzymujemy materiał porowaty, o gęstości 0,2-0,8 g/cm^3. Zastosowanie: materiały izolacyjne cieplne i dźwiękowe, materiały do produkcji filtrów. (Temp. pracy - do 300 `C, wytrzymałość na ściskanie - 150-250 MPa; wytrzymałość na zginanie, rozciąganie - 50-100 MPa).

Włókna szklane - otrzymywane ze szkła wodnego włókna o grubości od 2-10 μm. Stosowane są jako materiał izolacyjny (termiczny i akustyczny). Produkuje się z nich również nici. Są stosowane wraz z polimerami w materiałach kompozytowych. (ρ=0,5-1 g/cm^3)

Szkła o specjalnych właściwościach elektrycznych - zwykłe szkło jest izolatorem. Odpowiednie dodatki zwiększają przewodność. Mogą także wywołać efekty półprzewodnikowe. Właściwość ta znalazła zastosowanie w elektrotechnice. Pozwala na produkcję elementów) czułych na zmianę temperatury - termistory, czułych na zmiany światła - fotoopory).

Szkło krystaliczne - specjalny gatunek szkła o budowie krystalicznej. Posiada dużą termowytrzymałość, dużą twardość, dużą odporność chemiczną. Znajduje zastosowanie jako powłoka na stalach żarowytrzymałych.

Szkło bezpieczne jest to rodzaj specjalnego szkła, które w wyniku hartowania po rozbiciu rozpada się na małe kawałki o zaokrąglonych, nie kaleczących krawędziach.
Jednym z rodzajów tego szkła jest szkło zbrojone. Jest ono walcowane z wtopioną siatką metalową, co zapobiega rozpryskiwaniu się szkła przy pęknięciu. Szkło to jest głównie stosowane w budownictwie i motoryzacji (szyby samochodowe)

Szkło wodne jest to syropowatej gęstości ciecz będąca wodnym roztworem krzemianu sodu lub potasu. Stosowane jest do ochrony przeciwogniowej tkanin, papy, drewna i do wyrobów kitów i farb ognioochronnych jak również włókna szklanego.

Szkło ołowiowe jest łatwo topliwe i ma duży współczynnik załamywania światła. Z tego powodu służy do wyrobu kryształów i soczewek.

Szkło potasowe składa się głównie z K2O(tlenku potasu), CaO(tlenku wapnia) i SiO2(tlenku krzemu). Jest to szkło trudno topliwe, więc znalazło sobie zastosowanie w laboratoriach chemicznych. Jest ono niezastąpione, gdyż nawet na lekcjach chemii często ogrzewamy probówki do wysokich temperatur. Zwykłe szkło w tych warunkach odkształciłoby się i niemożliwe byłoby przeprowadzania doświadczeń laboratoryjnych.

Szkło sodowe ma natomiast niską temperaturę topnienia. Składa się głównie z tlenku: sodu, wapnia i krzemu. Ma bardzo duże zastosowanie w życiu codziennym. Z pewnością sami nie zdajemy sobie sprawy, jak często się z nim spotykamy. Szkło to służy do wyrobu sprzętów codziennego użytku takich jak: szklanki, naczynia i szyby okienne. Również stosujemy je do produkcji opakowań szklanych; butelek i słoików.

Szkło kwarcowe składa się głównie z tlenku krzemu. Jest trudno topliwe. Ma dużą odporność na zmiany temperatury. Cechuje je też dobra przepuszczalność promieni widzialnych. Szkło kwarcowe znalazło sobie zastosowanie w produkcji naczyń laboratoryjnych i elementów aparatury optycznej. Jednak głównie służy do produkcji lamp kwarcowych.

17. Betony, rola cementu, napełniaczy, wody, wpływ temperatury na dojrzewanie betonu.

Beton jest najpopularniejszym materiałem budowlanym, jego własnością jest duża odporność na ściskanie.

Składniki betonu:

- Cement (portlandzki, glinowy, hutniczy, anhydrytowy, magnezjowy, inne)

- Napełniacze (kruszywo, piasek, żwir, gruz, kamień, żużel, pumeks, dodatki spieniające, armatura stalowa)

- Woda

- Dodatki szkodliwe (węgiel, gips, glina, tłuszcze, związki organiczne, siarczki)

Cement - spoiwo (klej kamienny) twardniejący po rozrobieniu go wodą. Początkowo uzyskujemy żel o konsystencji gęstej śmietany, który stopniowo utwardza się i krystalizuje, przechodząc w ciało stałe.

Chociaż krzepnięcie obserwuje się już po kilku godzinach, to proces ten przebiega powoli przez okres kilku lat i wymaga doprowadzania wody.

W zależności od wytrzymałości rozróżnia się tzw. marki cementu: 250, 350, …, 600 - liczby te określają wytrzymałość na ściskanie (kg/cm^2) sześciennej próbki o krawędzi 200 mm, wykonanej z danego cementu po 28 dniach twardnienia. Wytrzymałość konstrukcji jest wypadkową wytrzymałości cementu i napełniacza.

Napełniacze - wraz z cementem współdecydują o wytrzymałości betonu. Ciężkie betony ρ=2,2 g/cm^3, o dużej wytrzymałości na ściskanie zawierają kruszywo granitowe o średnicy 5-70 mm, żwir. Frakcje powinny być tak dopasowane, by jak najlepiej wypełnić objętość, bowiem przy zastosowaniu jednakowej frakcji występuje ~45% porowatość. Duża porowatość niepotrzebnie zwiększa zużycie cementu na zapełnienie luk. Dodatkowo przy niskiej marce cementu może to doprowadzić do obniżenia wytrzymałości betonu. W lżejszych betonach (o mniejszej wytrzymałości), jako napełniaczy można używać żużel, gruz, pumeks, azbest. W konstrukcjach narażonych na zginanie stosuje się dodatkowo zbrojenie stalowe betonu. Przy zastosowaniu środków spieniających uzyskuje się tzw. pianobeton.

Woda - musi występować w optymalnej ilości, bowiem za dużo wody powoduje powstawanie pustek wewnętrznych (powstałych po wyparowaniu wody), zaś za mało wody powoduje iż gęsta masa betonowa źle wypełnia formę, ponadto po skrzepnięciu powstają pęknięcia. Każdy beton musi być zwilżany przez 11 dni.

Dodatki szkodliwe - dostają się do betonu wraz z wodą i napełniaczami. Powodują wycieki betonu, które zmniejszają jego wytrzymałość.

Podwyższenie temperatury przyspiesza reakcje chemiczne i twardnienie betonu. Np. przy temp. 170-180 `C, po czasie 12-16h w betonie zachodzą takie zmiany jak po roku w temp. 20 `C. Przy zwiększaniu temp. Należy zwiększyć ciśnienie, aby ograniczyć parowanie wody, a w konsekwencji pękanie betonu. Przy temp. 80-90 `C, w 12-16h uzyskuje się wytrzymałość równą 70% wytrzymałości 28-dniowej. Przyspieszanie dojrzewania betonu ma zastosowanie w tzw. „fabrykach domów”. Niskie temp. spowalniają proces dojrzewania betonu. Np. temp 5 `C spowalnia proces o około 2-5 razy. Ujemne temp. powodują zamarzanie wody i w konsekwencji pękanie betonu.

18. Ceramika inżynierska. Węglowa, korundowa, węglik krzemu.

Najczęściej spotykane materiały ceramiczne otrzymywane są z wypalonej gliny (zawierającej krzemionkę i skaleń). Po spieczeniu składa się z faz krystalicznych (głównie krzemianów) spojonych fazą szklistą, pęknięć i por po odparowanej wodzie . Faza szklista tworzy się w czasie spiekania rozpływając się wokół faz krystalicznych -łącząc je ze sobą.

Ceramiki inżynierskie:

Ceramika węglowa:

Diament - odmiana alotropowa węgla - najtwardszy spotykany minerał; zastosowanie: duże kryształy (brylanty) w jubilerstwie; precyzyjne narzędzia do cięcia szkła; proszek diamentowy - pasty polerskie i ścierne

Grafit - odmiana alotropowa węgla - zastosowanie: elektrody węglowe, włókna

Sadza - mikrokrystaliczny grafit - zastosowanie: pigment

Fulereny - związki węgla (od C60 do C560) o kształcie zamkniętej sfery; zastosowanie: medycyna, półprzewodniki, nadprzewodniki

Ceramika Korundowa:

(90-80% Al2O3) zastosowania: świece samochodowe, elementy wysokotemperaturowych pieców próżniowych, łożyska pracujące przy wysokich temperaturach bez smarowania.

Korund - Al2O3 - monokryształ: występuje w postaci niedomieszkowanej (przezroczystej) lub domieszkowanej (niebieski - szafir; czerwony - rubin). Znajduje zastosowanie w jubilerstwie, narzędziach tnących, elektrotechnice (lasery).

Karbokorund - Sic -Odporny na utlenianie do 1500 `C /powstaje ochronna warstwa SiO2/. Zastosowania -elementy grzewcze, tygle do wytopu szkła kwarcowego, pokrycia ochronne na metalach, materiał ścierny.

---