1. Wiązania pierwotne i wtórne.

Spójność ciał stałych jest wynikiem działania sił przyciągania pomiędzy atomami. Te siły są bezpośrednią konsekwencją struktury elektronowej atomu. Ze względu na charakter tych wiązań możemy wyróżnić:

1. Pierwotne:

• jonowe - które polegają na elektrostatycznym przyciąganiu między dodatnimi i ujemnymi jonami. Liczne pierwiastki mogą oddawać swoje ujemne elektrony walencyjne, stając się jonami dodatnio naładowanymi, struktura elektronowa takich jonów jest wówczas analogiczna do poprzedzającego je w układzie okresowym gazu szlachetnego (np. sód po oddaniu jednego elektrony staje się jonem dodatnim Na⁺¹ o strukturze takiej jak neon. )

• kowalencyjne (atomowe) - Najlepiej takie wiązanie opisuje dwuatomowa cząsteczka chloru. Atom chloru, jak wiadomo ma siedem elektronów walencyjnych i dla uzyskania trwałej ośmioelektronowej struktury dwa atomy łączą się, tworząc wspólną parę elektronową. Te dwa elektrony wspólne są dla obu atomów. Liczba możliwych dla danego atomu wiązań kowalencyjnych zależy od liczby elektronów koniecznych do uzupełnienia poziomu zewnętrznego do ośmiu elektronów. Atom o siedmiu może łączyć więc jeden atom, atom o czterech cztery, a atom posiadający mniej niż cztery elektrony, nie tworzy wiązań kowalencyjnych. Najlepszym przykładem tego wiązania jest diament - wiązania kowalencyjne stanowią potężne siły przyciągania między atomami, ciała posiadające tego typu wiązania mają wysoką temperaturę topnienia i wysoką wytrzymałość mechaniczną, diament np. jest najtwardszym materiałem naturalnym.

• Metaliczne występują w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu się na wystarczająco małą odległość, charakterystyczną dla stałego stanu skupienia, oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów.

2. Wtórne:

• międzycząsteczkowe siłami van der Waalsa - najsłabsze wiązania międzyatomowe. Źródłem sił przyciągania tutaj są dipole elektryczne tj. cząsteczki o pewnej biegunowości. Dodatni biegun dipola przyciągany jest przez ujemny. Ponieważ natężenie tych pól nie jest duże kryształy o tego rodzaju wiązaniach są łatwo topliwe i mają niską wytrzymałość mechaniczną.

• Wiązania siłami Londona

• Wiązania wodorowe - najsilniejsze wiązanie wtórne pomiędzy spolaryzowanymi cząsteczkami. Występują między cząsteczkami, w których wodór jest kowalencyjnie związany z fluorem, tlenem lub azotem. W każdym z tych wiązań elektron wodoru jest uwspólniony z innym atomem. Wodorowy koniec wiązania jest dodatnio naładowany i przyciągany przez przeciwny, ujemnie naładowany innej cząsteczki.

2. Przegląd głównych grup materiałów inżynierskich.

Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.

• Materiały naturalne (wymagające jedynie nadania kształtu do technicznego zastosowania): drewno i niektóre kamienie, skały i minerały.

• Materiały inżynierskie:

- metale i ich stopy (ich właściwości są kształtowane metodami obróbki cieplnej, a powierzchnie elementów są często uszlachetnianie metodami inżynierii powierzchni, zwiększającymi ich odporność np. na korozję i zużycie)

- polimery (czyli tworzywa sztuczne, charakteryzujące się małą gęstością, izolacyjnymi właściwościami cieplnymi i elektrycznymi - z wyjątkiem przewodzących prąd, słabo odbijają światło i zwykle są przezroczyste, wiele polimerów jest giętkich i odkształcalnych, ale nie nadają się do pracy w wysokiej temperaturze, zwykle surowcem do wytwarzania polimerów jest ropa naftowa)

- materiały ceramiczne (materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji + szkło, beton oraz cement),

- materiały kompozytowe (połączenie dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się w sobie faz, któremu każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie)

3. Znaczenie materiałów inżynierskich w rozwoju cywilizacyjnym.

Nowoczesne produkty nie mogłyby być zaprojektowane i wyprodukowane bez użycia wielu materiałów. Każdy przedmiot zawiera wiele elementów, z których każdy może być wyprodukowany z innego materiału (np. samochód z około 15 000, a samolot pasażerski 4000000). Każdy materiał ma inne właściwości, a każdy element budowy spełnia inną funkcję, dlatego też muszą zostać one dokładnie dobrane i dopasowane, aby produkt działał popranie, był bezpieczny, niezawodny i funkcjonalny. Materiały inżynierskie umożliwiają rozwój techniki - wiemy, który materiał będzie najbardziej wytrzymały, umiemy dopasować materiał plastyczny, aby ulegał odpowiednim odkształceniom, ale nie rozpadł się, wiadome jest, który z materiałów może podlegać wysokim temperaturom, który przewodzi prąd itd. - dzięki temu budowane są maszyny, urządzenia ułatwiające nam życie , pozwalające się rozwijać. Opracowywane i wprowadzane są całkowicie nowe materiały, pomagające chorym - jak rozwój sztucznych kości, implantów, sztucznych organów itd. Mają znaczenie także dla środowiska (nowe technologie generowania energii, bardziej efektywna produkcja energii, materiały mniej toksyczne i przystosowane do recyklingu). Dąży się do wykorzystywania materiałów, dzięki którym produkty będą lepszej jakości i użyteczności, a w transporcie opracowana zostanie lekka karoseria i osprzęt samochodowy.

4. Podstawy doboru materiałów na produkty i ich elementy.

1. Ogólne: względny koszt, gęstość

2. Mechaniczne: moduł sprężystości, wytrzymałość, odporność na pękanie, wskaźnik zmęczeniowy.

3. Cieplne: przewodność cieplna, dyfuzyjność, pojemność cieplna, temperatura topnienia, temperatura zeszklenia, współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność na udary cieplne, odporność na pełzanie

4. Wskaźnik zużycia

5. Wskaźnik korozyjny

5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe nauki o materiałach.

Abyśmy my mogli się rozwijać, muszę rozwijać się urządzenia ułatwiające nam życie, a aby one mogły się rozwijać, muszę rozwijać się materiały, z których są wytwarzane. Aby coś ulepszyć, trzeba wiedzieć, który materiał da lepszy efekt, który będzie mniej zawodny, bardziej wytrzymały, bardziej bezpieczny - a do tego możemy dojść jedynie ciągle badając materiały. Dążymy do bardziej ekologicznego życia, sprzętu coraz mniejszego, a coraz bardziej wydajniejszego, tworzyw sztucznych ulegających biodegradacji, bezpieczniejszych i lżejszych konstrukcji pojazdów, możliwości bezpiecznej podróży w kosmos - to wszystko można osiągnąć tylko wtedy, gdy zostaną zbadane, opracowane i wyprodukowane materiały - bez rozwoju współczesnej nauki, nigdy tego nie osiągniemy.

6. Teoretyczna i rzeczywista budowa czystych metali.

Wszystkie metale w stanie stałym charakteryzują się budową krystaliczną, prawidłowym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni, przy czym każdy atom sąsiaduje z taką samą liczbą atomów rozmieszczonych w jednakowej odległości od siebie. W rzeczywistości struktura kryształów nie jest doskonała i zawiera pewne wady, wywołujące określone nieprawidłowości budowy i wpływające na ich własności.

Nieprawidłowości spotykane w rzeczywistych strukturach krystalicznych można podzielić na trzy grupy: a)defekty punktowe, b)defekty liniowe, c)defekty złożone.

7. Budowa stopów metali.

Stop - tworzywo składające się z metalu stanowiącego osnowę, do którego wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek (metal lub niemetal) w celu zmiany jego właściwości w żądanym kierunku.

W stanie ciekłym składniki stopów rozpuszczają się zwykle bez ograniczeń tworząc roztwory ciekłe (fazy ciekłe) o nieograniczonej rozpuszczalności.

Faza -fizycznie odrębna, chemicznie jednorodna i teoretycznie dająca się oddzielić część materiału.

Stopy mogą być zbudowane z następujących faz:

• Faz prostych czyli pierwiastków (brak wzajemnej rozpuszczalności składników)

• Roztworów stałych (rozpuszczalność składników) - jednorodna faza złożona co najmniej z 2 rodzajów atomów.

Cechy charakterystyczne: Roztwór ma typ struktury krystalicznej składnika stanowiącego podstawę roztworu - rozpuszczalnika.

a) Roztwory różnowęzłowe tworzą się w wypadku zbliżonych promieni atomowych składników.

b) Roztwory międzywęzłowe tworzą metale przejściowe (np. Fe, Ti) z pierwiastkami niemetalicznymi o bardzo małych promieniach atomowych (H, C, N).

- Rozkład atomów rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego jest przypadkowy.

- Sieć krystaliczna roztworu jest zniekształconą siecią rozpuszczalnika.

- Zniekształcenie sieci i naprężenia wewnętrzne w roztworze są powodem: Mniejszej plastyczności, Większej wytrzymałości, Mniejszej przewodności elektrycznej w porównaniu z rozpuszczalnikiem

• Fazy międzymetaliczne - struktura i właściwości pośrednie między roztworem stały i związkiem chemicznym.

Cechy charakterystyczne: struktura krystaliczna odmienna od struktury składników, Uporządkowane rozmieszczenie atomów składników w sieci, stała proporcja atomów, np. Fe₃C, wiązanie metaliczne

8. Właściwości mechaniczne określane metodami quasistatycznymi.

Celem próby rozciągania metali jest wyznaczenie: umownej granicy sprężystości, wyraźnej lub umownej granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia względnego, przewężenia względnego oraz modułu sprężystości.

9. Właściwości mechaniczne określane metodami udarowymi.

Próba udarowości to metoda w badaniach dynamicznych, która służy do oceny zachowania się metali w warunkach sprzyjających kruchemu pękaniu, wywołanych w próbce obecnością karbu i odkształceniami o dużej prędkości, powstałymi w wyniku udarowego działania sił. (-ocena zachowania się metali w warunkach sprzyjających kruchemu pękaniu, -wytrzymałość materiałów na skrajne temperatury, -określanie krzywej przejścia w stan kruchy stali,)

10. Układy równowagi Fe-C i Fe-Fe₃C.

Techniczne czyste żelazo jest metalem miękkim o dużej plastyczności, dlatego nie znajduje ono szerszego zastosowania w technice jako materiał konstrukcyjny i produkowane jest w niewielkich ilościach. Jednak w technice znajduje zastosowanie główne w postaci stopów z węglem, które w zależności od zawartości węgla nazywanymi stalami lub żeliwami. Węgiel może występować w stopach z żelazem w postaci wolnej jako grafit lub w postaci związanej jako węglik żelaza, zwany cementytem.

Układ równowagi żelazo-cementyt. - jest to wykres fazowy węgla w stopie z żelazem. Pierwszą, najczęściej wykorzystywaną i omawianą część wykresu nazywa się także wykresem żelazo - cementyt. Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu można odczytać jaką strukturę posiada stop, przy założeniu równowagowego procesu wytwarzania. Przy, na przykład, szybkim chłodzeniu stop może zachowywać się w inny sposób (na przykład granica rozpuszczalności węgla w ferrycie wzrasta wraz z wielkością przechłodzenia). Należy zaznaczyć, że jest to tylko fragment wykresu równowagi układu żelazo-węgiel (zwany wykresem żelazo-cementyt), zawarty pomiędzy 0% a 6,69% (czasem mówi się 6,67%) węgla. Nazwa pochodzi od nazwy faz na granicach wykresu - z lewej jest żalazo (Fe), a z prawej cementyt (Fe3C). Jest on najbardziej istotny ze względów praktycznych, gdyż większe stężenie węgla powoduje zbyt dużą kruchość stopu.

W stopach żelazo-cementyt wyróżnia się następujące składniki:

- ciekły roztwór węgla w żelazie

- ferryt - roztwór stały węgla w żelazie α (niemal czyste żelazo)

- austenit - roztwór stały węgla w żelazie γ

- cementyt w różnych postaciach

- perlit - mieszanina ferrytu i cementytu, powstaje z rozkłady austenitu

- ledeburyt - mieszanina austenitu i cementytu

11. Stale niestopowe.

Stal węglowa (niestopowa) - stal niezawierająca specjalnie wprowadzonych dodatków stopowych, jedynie węgiel i ograniczoną ilość pierwiastków pochodzących z rudy i procesu hutniczego. Dzieli się na konstrukcyjną, narzędziową i o szczególnych właściwościach.

- konstrukcyjna - stal używana do budowy konstrukcji stalowych, części urządzeń i maszyn o typowym przeznaczeniu. Gdy konstrukcja lub element urządzenia pracuje w trudnych lub ekstremalnych warunkach atmosferycznych, wytężeniowych lub cieplnych, stosuje się stale specjalne. (stale niskowęglowe lub średniowęglowe, stosowane w stanie surowym, normalizowanym lub zgniecionym)

- narzędziowa - stal do produkcji narzędzi, elementów przyrządów pomiarowych oraz odpowiedzialnych uchwytów. Stale narzędziowe charakteryzują się wysoką twardością, odpornością na ścieranie, niewielką odkształcalnością i niewrażliwością na przegrzanie. Cechy te osiąga się przez wysoką zawartość węgla i odpowiednią obróbkę cieplną przy narzędziach mało odpowiedzialnych oraz użycie odpowiednich dodatków stopowych połączone z odpowiednią obróbką cieplną w przypadku odpowiedzialnych narzędzi.

12. Staliwa konstrukcyjne niestopowe.

Staliwo - to stop żelaza z węglem w postaci lanej, nie poddany obróbce plastycznej. W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1,5%, suma typowych domieszek również nie przekracza 1%.

Stosowane w budowie maszyn i urządzeń w postaci odlewów. W drodze odlewania stali do form, gdzie krzepnąc uzyskuje właściwy kształt. Można je stosować bezpośrednio po zakrzepnięciu lub po odpowiedniej obróbce cieplnej do zapewnienia jednorodności składu chemicznego. Jest to sposób otrzymywania elementów bardzo ekonomiczny, ponadto staliwo ma dobre właściwości mechaniczne i dobrą spawalności.

13. Staliwa specjalnego przeznaczenia.

1. Odporne na korozję, gdzie podstawowym składnikiem jest chrom (odporne na korozję atmosferyczną, w wodzie, w parze wodnej i w roztworach alkalicznych, gorących par ropy naftowej oraz niektórych zimnych kwasów nieorganicznych)

2. Żaroodporne - przeznaczone na elementy maszyn i urządzeń pracujących w podwyższonych temperaturach.

3. Odporne na ścieranie - posiadają niską granicę plastyczności, łatwo umacniają się w czasie odkształcania. Wysoka odporność na ścieranie przy dużych naciskach.

14. Żeliwa i surówki: rodzaje, struktury, proces grawitacji.

Surówki albo żeliwa to stopy żelaza z węglem w teoretycznej zawartości 2,11-6,67% węgla. Ponadto stopy te zawierają dodatkowo krzem, mangan, fosfor i siarkę, a czasem i dodatki stopowe. Najbardziej rozpowszechnione tworzywo na odlewy w budowie maszyn. Surówki są bezpośrednim produktem wielkiego pieca, natomiast żeliwa otrzymuje się przy przetopieniu surówki w piecach odlewniczych . Jednak ich struktury nie zawierają różnic, dlatego posiadają podobne właściwości.

Dzielą się na:

- białe (węgiel występuje tu wyłącznie w postaci związanej z żelazem - cementyt, a także z innymi pierwiastkami (ilość węgla w roztworze ferrytu jest minimalna) i dlatego ich przełom jest jasny. )

- szare (węgiel występuje częściowo w postaci wolnej jako grafit, którego obecność powoduje, że przełom jest matowoszary)

Surówki i żeliwa białe - z uwagi na dużą zawartość cementytu są bardzo twarde, kruche i praktycznie nie skrawalne, ich właściwości odlewnicze są bardzo złe i dlatego są główne stosowane do ich dalszego przerobu na stal.

Grafityzacja - Stosuje się ją do stopów bogatych w węgiel, proces ten jest miej uzależniony od wielkości przedmiotu , gdyż zachodzi w całej masie równocześnie - gdy uzyska odpowiednią i równą temperaturę . Uzyskana struktura jest w każdym miejscu jednakowa , co wiąże się również z równością własności . Żeliwo ciągliwe uzyskane tą metodą składa się z ferrytu i węgla żarzenia , dlatego też w porównaniu z żeliwem odwęglonym posiada mniejszą twardość , ale lepsze własności plastyczne . Odznacz się również obrabialnością mechaniczną przez skrawanie . Własności te oraz odporność na uderzenia , łatwość odlewania w formach o zawiłych kształtach duża gładkość powierzchni , czynią materiał ten niezastąpionym w przemyśle .Żeliwo białe przeznaczone do uplastycznienia powinno zawierać mało krzemu i węgla , aby węgiel w czasie krzepnięcia żeliwa nie wydzielił się jako grafit , lecz pozostał w stopie w stanie związanym jako cementyt. Proces uplastycznienia przeprowadza się w następujący sposób :Po załadowaniu przedmiotów do skrzynek i obsypaniu ich obojętnym materiałem wypełniającym , wkłada się skrzynki do pieca , a następnie szybko doprowadza się do temperatury 850 - 900 ^oC . Temperaturę tę utrzymuje się 40 - 60 godz. Następnie obniża się temperaturę stosunkowo szybko , a później powoli spadającą/ 5 ^oC /godz/. Po dojściu do 690 ^oC wyjmuje się skrzynki z pieca , które stygną na powietrzu . Po takim zabiegu otrzymane żeliwo ma jednakowe własności , niezależnie od grubości odlewu . Żeliwo to ze względu na prawie zupełnie ciemny przełom nosi nazwę żeliwa ciągliwego czarnego . Żeliwo ciągliwe odznacza się skrawalnością.

15. Żeliwo szare, ciągliwe i zabielone.

Żeliwo szare (węgiel występuje częściowo w postaci wolnej jako grafit, którego obecność powoduje, że przełom jest matowoszary)- rozróżnia się w nim następujące składniki strukturalne: osnowę metaliczną, grafit, eutektykę fosforową oraz wtrącenia niemetaliczne. Grafit powoduje nie ciągliwość osnowy metalicznej, dlatego wytrzymałość żeliwa szarego jest niższa od stali. Nie może więc być w nim go zbyt dużo. Najlepsze właściwości ma żeliwo szare o małej ilości grafitu rozłożonego w postaci drobnych wtrąceń - wtedy jego wytrzymałość zbliża się do wytrzymałości stali . Jeśli grafit występuje w postaci kulek pozwala to na uzyskanie żeliwa o bardzo wysokiej wytrzymałości i o pewnych właściwościach plastycznych. Wytrzymałość na ściskanie i twardość zależą od struktury osnowy metalicznej. Oprócz węgla występują tu także takie składniki jak krzem, siarka, mangan, fosfor. Krzem jest bardzo ważny, gdyż umożliwia on proces grafityzacji i wpływ na strukturę osnowy metalicznej. Fosfor także wpływa pozytywnie, gdyż obniża temperaturę topnienia i podwyższa rzadkopłynność. Siarka jest składnikiem szkodliwym, dlatego powinno być jej jak najmniej.

Żeliwo szare dzieli się na:

- zwykłe maszynowe (ma niską wytrzymałość, łatwo obrabialne i mało odporne naścieranie),

- modyfikowane (dodatnie modyfikatorów powoduje rozdrobnienie struktury i umożliwia otrzymanie jednorodnej struktury odlewów, dzięki czemu żelazo otrzymuje większą wytrzymałość na rozciąganie, a nawet na ściskanie i tłumienie drgań, niestety właściwości plastyczne takiego żeliwa są bardzo złe)

- sferoidalne (grafit w postaci regularnych lub nieregularnych kulek - ma dobre właściwości wytrzymałościowe oraz wykazuje pewną plastyczność. ).

Żeliwo ciągliwe - otrzymuje się przez grafityzujące wyżarzanie odlewów z żeliwa białego, w czasie którego cementyt ulega rozpadowi z wydzieleniem wolnego węgla (grafitu), zwanego węglem żarzenia. Osnowa metaliczna jest zbliżona do stali, a węgiel żarzenia występuje w postaci postrzępionych lub zwartych skupień. Wykazuje dobre właściwości mechaniczne, a zwłaszcza dobrą plastyczność. Znajduje szerokie zastosowanie w wytwarzaniu drobnych części maszyn rolniczych, włókienniczych, części samochodów, wagonów, traktorów itd. Rozróżnia się żeliwo ciągliwe:

- białe (stosowane do drobnych elementów, przełom jego jest biały),

- czarne (przełom jest matowo ciemny),

- perlityczne (wysoka wytrzymałość i wysoka odporność na ścieranie) .

Żeliwo zabielane - używana do budowy elementów, które wymagają dużej odporności na ścieranie jak np. walce hutnicze. Warstwa powierzchniowa takich odlewów jest żeliwem białym o dużej twardości o odporności na ścieranie, natomiast rdzeń jest żeliwem szarym. Pomiędzy tymi dwoma warstwami występuje strefa o strukturze żeliwa połowicznego. Zabielenie warstwy zewnętrznej odlewu uzyskuje się przez zwiększoną szybkość chłodzenia.

Miedź jest metalem o bardzo cennych właściwościach. Ma barwę czerwonawą, jest metalem bardzo miękkim o niskiej wytrzymałości na rozciąganie, ale o bardzo dobrych właściwościach plastycznych. Miedź umacnia się na drodze przeróbki plastycznej na zimno - zwiększa się właściwości wytrzymałościowe przy obniżaniu właściwości plastycznych. Odznacza się dużym przewodnictwem cieplnym oraz dużym przewodnictwem elektrycznym. Ma stosunkowo dużą odporność na korozję. Zastosowanie technicznie czystej miedzi zależy od jej zanieczyszczeń: do celów elektrotechnicznych musi być mieć o dużej czystości. Stosowana jest wszędzie tam, gdzie potrzebne jest dobre przewodnictwo cieplne, znajduje także coraz większe zastosowanie w obniżonych temperaturach, jak urządzenia chłodnicze lub urządzenia do wytwarzania i transportowania ciekłych gazów.

16. Mosiądze.

Są to stopy miedzy z cynkiem, najbardziej rozpowszechnione ze stopów miedzi, dzięki dobrym właściwością użytkowym i technologicznym, a także ze względu na swoją niską -w porównaniu z innymi stopami miedzi - cenę.

Dzielą się na:

- przerabiane plastycznie - przerabiane plastycznie na zimno, mają strukturę roztworu stałego α, dostarczane w postaci odkuwek, prętów, blach, rur, taśm i różnego rodzaju kształtowników. W zależności od zawartości cynku mogą odznaczać się dużym przewodnictwem cieplnym(CuZn5, CuZn10), dobrą plastycznością (CuZn30, CuZn32) , dobrą głębokotocznością i wytrzymałością (CuZn37). Rozróżnia się także mosiądze przerabiane plastycznie dwuskładnikowe i wieloskładnikowe.

- mosiądze odlewnicze - na odlewy stosuje się głównie mosiądze dwufazowe, które zawierają jeszcze inne dodatki stopowe jak np. ołów i krzem, które polepszają lejność oraz aluminium, mangan i żelazo, które zwiększają właściwości mechaniczne. Podobnie jak w mosiądzach przerabianych plastycznie cyna zwiększa odporność na korozję, a ołów polepsza ich obrabialność. Wszystkie te mosiądze cechuje dobra odporność na korozję i ścieranie, są one stosowane do wyrobów części maszyn, armatury wodnej i parowej.

Korozja mosiądzów - są wysokoodporne na korozję atmosferyczną, korozje jakim podlegają to odcynkowanie i sezonowe pękanie.

17. Brązy cynowe.

Są to stopy miedzi z cyną. Ich zakres zastosowania jest ograniczony, jednak odgrywają ważną rolę w technice, przede wszystkim jako odlewy, a także jako materiał przerobiony plastycznie. Specyficzne zastosowanie brązów cynowych to dzwony i wyroby artystyczne. Ich małe zastosowanie spowodowane jest wysoką ceną tego stopu.

Tak jak mosiądze można podzielić je na:

- przerabiane plastycznie (do 7-8% cyny) - najlepszą wytrzymałość mają brązy o zawartości 5% cyny, brązy z tej grupy charakteryzują się dobrą odpornością na korozję i stosowane są w postaci blach oraz drutu do wyrobu siatek, sprężyn i elementów przyrządów pomiarowo-kontrolnych.

- odlewnicze (10-12% cyny) - o strukturze dwufazowej, są wytrzymałe i twarde oraz niezbyt kruche. Wykonuje się z nich odlewy, a ich produkcja jest znacznie większa od przerabianych plastycznie. Jest to bardzo dobry materiał odlewniczy, dlatego wykonuje się z nich odlewy o bardzo skomplikowanym kształcie, a także odlewy artystyczne. Ze względu na zastosowanie dzieli się je na maszynowe (wyższa wytrzymałość , granica plastyczności i udarowości), armaturowe (mniejsza wytrzymałość i udarowość, zawierają dodatki cynku i ołowiu, dzięki czemu mają większą lejność i zapobiegają mikroporowatości) i łożyskowe (większa odporność na ścieranie).

18. Brązy aluminiowe

Są to stopy miedzi i aluminium. Mają one najlepsze właściwości wytrzymałościowe (poza brązami berylowymi) spośród stopów miedzi oraz znacznie większą odporność na korozję. Są lekkie oraz zatrzymują swoje właściwości mechaniczne w podwyższonych i obniżonych temperaturach, dzięki czemu są szeroko stosowane w technice. Bardzo dobrze się polerują, a ich barwa zbliżona jest do złota. Nadają się zarówno na odlewy jak i na materiały przerabiane plastycznie.

- do obróbki plastycznej - (brązy jednofazowe) - mają szerokie zastosowanie: w zależności od zawartości aluminium stosowane są na części sprężynujące różnych aparatów i urządzeń (8% Al), wieloskładnikowe brązu służą do produkcji prętów i rur, mają dobre właściwości wytrzymałościowe, dużą odporność na ścieranie i korozję, są stosowane do budowy maszyn o dużym obciążeniu.

- odlewnicze - brązy aluminiowe sprawiają duże trudności przy topnieniu i odlewaniu: są gęstopłynne i mają duży skurcz odlewniczy. Są głównie wieloskładnikowe .

Brązy aluminiowe odznaczają się dużą odpornością na korozję, szczególnie dużą odporność mają na działanie wody morskiej, dlatego znajdują zastosowanie do wyrobu śrub okrętowych, korpusów i osprzętu okrętowego. Stosowane są także w urządzeniach energetycznych, elektrycznych, w przemyśle chemicznym, w urządzeniach wodociągowych i siłowniach wodnych.

19. Brązy krzemowe.

Brązy krzemowe znajdują zastosowanie jako materiał zastępujący brązy cynowe, gdyż są tańsze, wykazują także lepsze od nich właściwości mechaniczne oraz większą odporność na korozję. Zawierają 1-5% krzemu oraz dodatki manganu, cynku i żelaza. Najczęściej stosowane są roztwory stałego krzemu w miedzi. Nie zawierają więcej niż 5% krzemu, gdyż wtedy byłyby zbyt kruche. Dodatek manganu do ilości 1,5% poprawia ich własności wytrzymałościowe i zwiększają odporność na korozję i zużycie. Korzystny jest także dodatek niklu, który zwiększa ich odporność na ścieranie i wytrzymałość w podwyższonych temperaturach.

- do przeróbki plastycznej - najbardziej rozpowszechniony jest brąz o zawartości 3% krzemu i około 1% manganu (ewerdur). Odznacza się on dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, dużą wytrzymałością zmęczeniową (większe niż mosiądze i brązy cynowe), dobrą obrabialnością i odpornością na korozję. Stosowany jest w przemyśle spożywczym, papierniczym, chemicznym oraz w przemyśle materiałów wybuchowych. Drugim bardzo rozpowszechnionym jest brąz niklowo-krzemowy - ma dobre właściwości wytrzymałościowe w zakresie do 500^oC i dużą odporność na korozję. W procesie starzenia tego brązu właściwości wytrzymałościowe wzrastają, a w staniu przesycenia jest on miękki i plastyczny i daje się łatwo kształtować. Stosowany jest do wyrobu różnych części maszyn.

Aluminium: metal o brawie srebrzystobiałej, bardzo miękki i plastyczny. Jest lekki, więc stosowany jest wszędzie tam, gdzie potrzebna są lekkie materiały konstrukcyjne (przemysł lotniczy, okrętowy, budowa silników i karoserii pojazdów). Wykazuje dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne. Jest odporne na działanie atmosferyczne, kwasów tlenowych, a także suchych gazów. Aluminium przy zastosowaniu odpowiedniej techniki dobrze się spawa. Jest dobrze odporne na korozję. Czyste aluminium ma niskie właściwości mechaniczne, dlatego bardziej wykorzystywane jest w postaci stopów.

20. Stopy aluminiowe do przeróbki plastycznej: rodzaje, właściwości.

Stopy do obróbki plastycznej zawierają około 5% pierwiastków stopowych, najczęściej Cu, Mg, Mn.

Dzielą się na stopy o niższej wytrzymałości, przeważnie nieobrabiane cieplne oraz o wyższej wytrzymałości w stanie obrobionym cieplnie.

- stopy o niższej wytrzymałości - należą do nich stopy aluminium z manganem oraz magnezem. Najbardziej rozpowszechnionym jest stop aluminium z ok. 1% manganu, zwany stopem alumen, ma dużą odporność na korozję i stosowany jest do wyrobu urządzeń transportowych przemysłu chemicznego i spożywczego w postaci blach i rur. Stopy aluminium z magnezem zawierają od 0,5-5% magnezu oraz inne składniki. Stopy noszące nazwę hydronalium stosowane są do wyrobu średnio-obciążonych elementów konstrukcji okrętowych, lotniczych i pojazdów mechanicznych oraz urządzeń przemysłu spożywczego i chemicznego.

- stopy o wyższej wytrzymałości - zawierają trzy zasadnicze dodatki stopowe 3-5,5% miedzi, 0,5-2% magnezu i 1% manganu. , podlegają one obróbce cieplnej. Ich wytrzymałość na rozciąganie zależy od temperatury i czasu starzenia.

21. Stopy aluminium-magnez.

Są najczęściej stosowanymi stopami odlewniczymi. Wykazują największą spośród stopów aluminium odporność na korozję i najmniejszą gęstość. Ich własności odlewnicze są niestety gorsze. Stopy Al z Mg zwykle zawierają inne dodatki stopowe w niewielkim stężeniu. Dodatek Si poprawia rzadkopłynność, dodatek Mn lub Cr zmniejsza niekorzystny wpływ Fe na korozję tych . stopów. Cynk polepsza własności wytrzymałościowe i odlewnicze. Stopy te znajdują zastosowanie na odlewy o dużej odporności na korozję np. na armaturę morską, elementy aparatury chemicznej oraz elementy dekoracyjne, a także silnie obciążone i narażone na uderzenia.

22. Stopy aluminium-krzem-magnez

Stopy aluminium-krzem - podstawową grupę stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami. Krzem zapewnia dobrą rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy. Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami odlewniczymi, nie wykazują skłonności pękania na gorąco. Stopy te mogą być często stopami wieloskładnikowymi. Dodatek Cu i Mg umożliwia utwardzenie wielodzieleniowe.

23. Stopy aluminium-cynk-magnez.

Czteroskładnikowe stopy Al z Zn, zawierające Mg i Cu wykazują najwyższe własności wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium. Ograniczenie ich zastosowania związane jest z słabą odpornością na działanie podwyższonej temperatury. Są także mało odporne na korozję, szczególnie naprężeniową. Są wytwarzanie w postaci blach, prętów, odkuwek i kształtników.

24. Korozja metali i stopów: odmiany korozji, korozja elektrochemiczna.

Korozja - oddziaływanie fizykochemiczne i elektrochemiczne między materiałem metalowym a otaczającym środowiskiem, w wyniku którego następuje uszkodzenie korozyjne, powodujące zmniejszenie własności metali.

W przypadku metali rozróżnia się korozję:

- chemiczną - spowodowana oddziaływaniem suchych gazów lub cieczy nieprzewodzących prądu elektrycznego.

- elektrochemiczną.

Odmiany korozji:

- równomierna - obejmuje całą powierzchnię materiału (rdzawienie żelaza, matowienie srebra)

- lokalna - tylko niektóre części materiału ulegają zanieczyszczeniu, podczas gdy inne zostają nietknięte.

- selektywna - rozpuszczenie jednej fazy stopu pod wpływem działaniem środowiska korozyjnego.

- międzykrystaliczna - przebiega na granicy ziaren metalu, powodując spadek jego wytrzymałości i ciągliwości

- naprężeniowa - korozja lokalna zachodząca na materiale, w którym następuje stałe naprężenie technologiczne lub eksploatacyjne

- zmęczeniowa - jest wynikiem współdziałania korozji elektrochemicznej oraz zmiennych naprężeń spowodowanych powstaniem ostrych wżerów przechodzących w pęknięcia wypełnione produktami korozji.

Korozja elektrochemiczna - jest to korozja spowodowana działaniem substancji chemicznych, gdy reakcjom chemicznym towarzyszy przepływ prądu np. reakcja metalu z elektrolitem. Najczęściej występuje w przypadku , gdy metal (żelazo, cynk) jest narażony na kontakt z elektrolitami w obecności pierwiastków o większym potencjale standardowym. W takiej sytuacji powstaje ogniwo galwaniczne, w którym pierwiastek bardziej szlachetny (o większym potencjale standardowym) jest katodą, a metal mniej szlachetny anodą. Rolę katody pełnią najczęściej domieszki innych metali, jak również ziarenka grafitu. W miarę rozpuszczania się metalu coraz więcej domieszek zagęszcza się na powierzchni, liczba mikroogniw wzrasta i proces korozji przybiera na sile.

• Mechanizm korozji elektrochemicznej

Reakcja redukcji (katodowa) - np.

Reakcja utleniania (anodowa) - np.

• Rodzaje ogniw korozji elektrochemicznej: ogniwa o różnych elektrodach, ogniwa stężeniowe, stężeniowe ogniwo tlenowe, różnicowe ogniwa temperaturowe.

25. Czynniki decydujące o przebiegu korozji elektrochemicznej.

• Skłonność metali i stopów do korozji elektrochemicznej wzrasta wraz ze zwiększeniem siły elektromotorycznej ogniw korozyjnych.

• Metale mające wyższe potencjały normalne (metale bardziej szlachetne) są bardziej odporne na korozję.

• Znaczny wpływ na przebieg korozji wykazuje stężenie jonów wodorowych H⁺ w roztworze (tj. pH środowiska).

• Podwyższone temperatury z reguły przyspieszają proces korozji.

• Inhibitory mogą zmniejszyć szybkość korozji.

• Duży wpływ na przebieg korozji wywiera konduktywność elektrolitu. Przy dużej konduktywności elektrolitu ubytek masy z anody jest większy.

• Charakter elektrolitu ma znaczny wpływ na szybkość korozji - np. w wodzie destylowanej korozja przebiega wolniej niż w innych elektrolitach.

• Korozja ma ułatwiony rozwój w przypadku stopu niejednorodnego, składającego się z mieszaniny kryształów metali o różnych potencjałach elektrochemicznych - korozja rozwija się wtedy na granicy ziaren kryształów składowych.

• Pewne środowiska np. silne zasady i cyjanki, wpływają na obniżenie aktywności jonów w równowadze z metalem .

26. Korozja gazowa, zgorzeliny.

Korozja gazowa - przykład korozji chemicznej. Polega na niszczeniu metali i stopów w wyniku reakcji chemicznych. Przebiega na sucho, bez udziału elektrolitu. Odbywa się przy wysokich temperaturach. Warstewki wytworzone w metalach w wyższej temperaturze są tlenkami, będącymi produktami reakcji metalu z tlenem z powierzchni bądź z gazu spalinowego. Np. przy ogrzaniu w powietrzu aluminium, żelaza, miedzi i niklu korozja przebiega równomiernie aż do określonej temperatury, w której na skutek wzrastających naprężeń w warstewce i powstających pęknięć, następuje skok wzrostu korozji. Największe straty przynosi tam, gdzie wiele elementów konstrukcyjnych narażonych jest na działanie gorących par i gazów (przemysł chemiczny i energetyczny, transport samochodowy i lotniczy)

Produkt korozji gazowej w procesie wytwarzania metali:

Zgorzelina - warstwa tlenków metali w postaci powłoki lub łuski, powstająca na powierzchni przedmiotu podczas nagrzewania go do wysokich temperatur w atmosferze utleniającej. Zgorzelina odpada częściowo w procesach obróbki plastycznej.

27. Ochrona przed korozją.

* dobór odpowiedniego materiału do warunków środowiska agresywnego

* elektrochemiczna ochrona katodowa (polega na połączeniu chronionej konstrukcji z metalem mniej szlachetnym, tworząc anodę ogniwa, natomiast katodą jest obiekt chroniony) i protektorowa

* metaliczne i niemetaliczne powłoki ochronne

- powłoki organiczne: metale (anodowe i katodowe) i niemetale

- powłoki nieorganiczne : farby, lakiery, tworzywa sztuczne, smoła i smary

* dyfuzyjne ulepszanie powierzchni metali

* stosowanie inhibitorów (które na powierzchni materiału tworzą warstewki ochronne, w środowisku alkalicznym są to sole cyny, arsenu, niklu i magnezu, a w środowisku kwaśnym krochmal, klej lub białko)

* stal i żelazo zabezpiecza się: malowaniem, galwanizacją, cynowaniem, chromowaniem.

* dobór odpowiedniego składu chemicznego stopów

* środki konserwujące

* ograniczenie oddziaływania środowiska korozyjnego na pracujące elementy maszyn i urządzeń

28. Ogólna charakterystyka materiałów polimerowych.

30. Podstawowe właściwości materiałów polimerowych.

POLIMERY - nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami stanowią grupą materiałów organicznych, złożoną ze związków węgla, wodoru i innych pierwiastków niemetalicznych.

• przeważnie organiczne związki wielocząsteczkowe zbudowane z regularnie lub nieregularnie powtarzających się ugrupowań atomów o jednakowej budowie, zwanych merami, połączonych kowalencyjnymi wiązaniami chemicznymi

• wiele polimerów występuje w organizmach żywych; odgrywają one ważną rolę w procesach przemiany materii (np. białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe)

• niektóre z nich mogą być wykorzystywane do celów technicznych, np. cis-1,4-poliizopropen (kauczuk naturalny)

• obecnie produkuje się na dużą skalę polimery syntetyczne, które przetwarza się głównie na tworzywa sztuczne, włókna syntetyczne, gumę, kleje, lakiery

• stanowią ważny surowiec współczesnego przemysłu, wiele z nich odznacza się bowiem m.in. dużą wytrzymałością mechaniczną (dorównującą wytrzymałości stali), lekkością (kilkakrotnie lżejsze od metali), odpornością chemiczną, dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi i elektroizolacyjnymi

• duże znaczenie w medycynie

• zastosowanie w ochronie środowiska (oczyszczanie wód i powietrza)

• najczęściej stosowanymi syntetycznymi polimerami organicznymi są np. polichlorek winylu, polietylen, polipropylen, poliamidy, poliestry, fenoplasty, silikony oraz żywice mocznikowe

• są też znane polimery nieorganiczne, np. polikrzemiany, polifosforany

Materiały polimerowe należą do jednej z podstawowych grup materiałów inżynierskich o różnorodnych własnościach, dzięki którym znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach współczesnej techniki, stanowiąc ważne tworzywo dla inżyniera konstruktora.

Zalety materiałów polimerowych: mała gęstość, duża wytrzymałość mechaniczna w stosunku do masy, twardość, odporność na czynniki atmosferyczne o środowisko aktywne, termo stabilność, własności elektryczne, cieplne oraz duża zdolność kształtowania gotowych produktów w stosunkowo prostych procesach technologicznych.

Wady materiałów polimerowych: niska odporność na pełzanie, ograniczony zakres temperatury długotrwałego użytkowania oraz problemy związane z procesami wtórnego wykorzystywania i utylizacji.

29. Techniczne znaczenie materiałów polimerowych.

- liczne metody technologiczne przetwórstwa materiałów polimerowych zapewniają nadanie im wymaganych kształtów produktów lub ich elementów

- odkształcenia materiałów termoplastycznych początkowo odpowiadają występującym w stopach metali i materiałach ceramicznych, po usunięciu naprężenia powracają do swoich położeń pierwotnych

- w niskiej temperaturze oraz przy dużej szybkości obciążania materiały termoplastyczne zachowują się jak inne ciała stałe, natomiast przy wyższej temperaturze oraz przy małej szybkości odkształcania, zachowują się jak lepka ciecz (umożliwia to nadanie im pożądanych kształtów i wyjaśnia ich odkształcenia podczas naprężenia)

- mała gęstość

- duża wytrzymałość mechaniczna w stosunku do masy

- dość duża twardość

- odporność na czynniki atmosferyczne środowiska aktywnego

- termo stabilność

31. Zastosowanie materiałów polimerowych.

Zastosowanie polimerów: tworzywa sztuczne, farby i lakiery, kleje i podobne środki powierzchniowo czynne, polimery ciekłokrystaliczne, membrany i inne materiały o zdolnościach rozdzielczych, mikrosfery polimerowe.

· budownictwo

· meblarstwo

· elektronika i elektrotechnika

· medycyna

· transport i komunikacja (opony, zderzaki)

· aparatura i części maszyn

· opakowania

· gospodarstwo domowe

· kosmetyka

POLIETYLEN -Jest Jest tworzywem o doskonałych własnościach dielektrycznych i dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych oraz niskich temperatur (do -50stopniC). Jest niepolarny. Znajduje zastosowanie w produkcji folii i innych opakowań, do wyrobu rur nadających się zarówno do wody pitnej, jak i do ścieków, jako powłoki kablowe oraz do wyrobu elementów gospodarstwa domowego, za wyjątkiem pojemników lub opakowań do mleka i tłuszczów zwierzęcych.

POLISTYREN -Jest materiałem stosunkowo lekkim o dużej stałości wymiarów, co umożliwia stosowanie go w precyzyjnej aparaturze pomiarowej. Cechuje się małą nasiąkliwością wody, dobrymi własnościami dielektrycznymi, niezmiennymi w szerokim zakresie częstotliwości, a także dużą odpornością na działanie większości cieczy, nawet silnie korodujących. Nie odporny jest natomiast na działanie rozpuszczalników organicznych. Jest jednym z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych, ponieważ obok własności mechanicznych i fizycznych, cechuje go łatwość formowania i niska cena. Służy do wyrobu galanterii technicznej, obudowy różnych urządzeń mechanicznych i wykładzin, a jako tworzyw parowate (styropian) - do opakowań i płyt termoizolacyjnych. Stosowany jest również w przemyśle elektrotechnicznym i radiotechnicznym. Używa się go również do wyrobu rur kwasoodpornych, opakowań oraz przedmiotów gospodarstwa domowego- grzebieni, zabawek i innych.

POLIPROPYLEN -Jest gładki w dotyku, ma większą odporność powierzchni na zarysowania i uszkodzenia, nie ulega korozji naprężeniowej, ma mniejszą gęstość, większą wytrzymałość na rozciąganie i większą odporność termiczną Polipropylen znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle do wyrobu różnych elementów maszyn poddawanych większym obciążeniom (wałki drukarskie, koła zębate), naczynia i elementy do sterylizacji wrzeniem oraz wyroby wymagające łączenia i współpracy z elementami metalowymi. Z polipropylenu wykonuje się folie, rury, koła zębate, obudowy maszyn, łożyska niskoobrotowe, elementy armatury, wykładziny, pojemniki. Z ciągłych włókien polipropylenu produkowane są sznury i sieci rybackie. Włókna cięte są dodawane do mieszanek z wełną i bawełną w przemyśle tekstylnym.

POLICHLOREK WINYLU - Wykazuje bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną i dobre własności dielektryczne. Jest odporny na działanie większości rozpuszczalników. Twardy polichlorek winylu znajduje zastosowanie jako materiał elektroizolacyjny, surowiec do wyrobu płytek podłogowych, płyt gramofonowych, rur, elementów armatury, elementów budowlanych np. framug drzwi i ram okiennych, przedmiotów codziennego użytku, przyborów kreślarskich oraz do impregnacji tkanin i papieru. Miękki polichlorek winylu jest stosowany jako wykładzina zbiorników, wykładsziny podłogowe i tapicerskie, powłoki ochronne, sztuczne skóry Rurowe membrany z polichlorku winylu służą do ultrafiltracyjnego oczyszczania wody i ścieków (igelit).

Nazwy handlowe: winidur (PVC twardy), polwinit, igelit (PVC miękki)

POLIMETAKRYLAN METYLU (szkło organiczne)

Jest odporny na działanie czynników atmosferycznych, kwasów, zasad, ozonu, węglowodorów alifatycznych oraz niskich temperatur. Ulega natomiast działaniu węglowodorów aromatycznych, ketonów, estrów. Jest palny, nie jest odporny na wysokie temperatury. Główne zastosowania PMMA wynikają z jego przezroczystości i odporności na starzenie w warunkach atmosferycznych. Te właściwości, w połączeniu z dużą wytrzymałości mechaniczną i sztywnością sprawiają, że jest chętnie stosowany jako materiał do wykonywania kloszy świateł sygnalizacyjnych, soczewek, szyb okiennych, lotniczych i samochodowych, urządzeń sanitarnych, naczyń stołowych, sztucznej biżuterii i in. wyrobów codziennego użytku. Odpowiednio barwiony znajduje zastosowanie w protetyce dentystycznej.

POLIAMID -Cechuje je dobra wytrzymałość na rozciąganie, wysoki moduł sprężystości, twardość, odporność na ścieranie itp. Poliamidy wytwarza się z pochodnych węgla, gazu ziemnego lub ropy naftowej. Poliamidy w najróżniejszych postaciach znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Niełamliwe artykuły codziennego użytku, artykuły techniczne, którym stawiane są wysokie wymagania wytrzymałościowe, włókna, lekkie tkaniny stanowią najbardziej wyróżniający się zakres zastosowań tych polimerów.

Poliamidy mogą zaabsorbować do kilku procent wody.

KAUCZUK SYNTETYCZNY

Metodą Lebiediewa otrzymuje się w wyniku polimeryzacji węglowodoru nienasyconego butadienu (dwuwinylu), którego cząsteczka zawiera dwa wiązania podwójne.

POLIWEGLANY

otrzymuje się z trującego fosgenu i dianu.

Są one tworzywami termoplastycznymi o bardzo wysokiej temperaturze mięknięcia (około 1700C). Z powodu bardzo słabej zdolności do krystalizacji polimeru czyste produkty z poliwęglanu są bezbarwne i przejrzyste. Polimer może być przetwarzany z roztworu jak również, biorąc pod uwagę jego termoplastyczny charakter, na zwykłych maszynach stosowanych do przerobu tworzyw sztucznych. Z poliwęglanów można produkować włókna, folie, rury, wyroby drążone i inne. Uwzględniając dużą odporność na ciepło, jak również bardzo dobre własności mechaniczne i dielektryczne, stosuje się poliwęglany w przemyśle elektronicznym, w medycynie i do produkcji części maszyn i urządzeń, którym stawiane są duże wymagania techniczne, jak również na przedmioty codziennego użytku

POLIMERY WYSTĘPUJĄCE W PRZYRODZIE

KAUCZUK NATURALNY - Główne zastosowanie znajduje przy wyrobie klejów i gumy. Ebonit stosowany jest głownie na skrzynki akumulatorów samochodowych.

CELULOZA błonnik -Stosowana jest do produkcji tkanin, papieru, włókien sztucznych (acetyloceluloza, jedwab octanowy, jedwab wiskozowy, nitroceluloza), lakierów, celuloidu, celofanu, fibry, materiałów wybuchowych (bawełna strzelnicza). Celulozę modyfikuje się na skalę przemysłową przez acetylwanie- otrzymuje się tworzywo do wyrobu błon rentgenowskich i filmowych. Tworzywo to rozpuszcza się w wodzie dając roztwory o dużej lepkości przy bardzo małych stężeniach. Z tego powodu stosuje się je powszechnie jako zagęszczacz farb lateksowych, klejów i kosmetyków oraz do powlekania tabletek farmaceutycznych.

SKROBIA- Skrobia jest białą, bezpostaciową substancją, pozbawioną smaku, nierozpuszczalną w zimnej wodzie i alkoholu. Skrobia stanowi materiał zapasowy roślin, występuje głównie w nasionach. Jako składnik pożywienia (mąka) jest źródłem glukozy, która zostaje uwolniona ze skrobi poprzez produkty pośrednie - dekstryny i maltozę.

Poza przemysłem spożywczym skrobia znajduje również zastosowanie w przemyśle

włókienniczym, kosmetycznym, farmaceutycznym, spirytusowym, również do produkcji klejów i papieru.

ZASTOSOWANIE POLIMERÓW W MEDYCYNIE

W ciągu ostatnich 60 lat duży postęp w medycynie był częściowo związany ze stosowaniem

nowych urządzeń i aparatów medycznych. Urządzenia te muszą pracować w ciągłym kontakcie z krwią lub z żywą tkanką. Do zastosowania z powodzeniem w urządzeniu medycznym polimer musi być odporny na odrzucenie przez organizm chorego i na degradację. Ciało ludzkie jest środowiskiem jednocześnie wrogim i wrażliwym, a więc materiały do zastosowań medycznych powinny być starannie dobierane.

32. Materiały ceramiczne: rodzaje, właściwości, zastosowanie.

Ceramiką inżynierską jest grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytworzonych zwykle w procesach wysokotemperaturowych. Do tej grupy zaliczane są też szkła i ceramika szklana.

Rodzaje: materiały węglowe, grafit, ogniotrwałe, ceramika elektrotechniczna, porcelana stołowa, fajans, porcelit, materiały budowlane, posadzki, materiały skrawające, narzędzia ścierne, elementy konstrukcyjne, szkoła.

Właściwości: twarde i kruche, porowatość (wrastanie skrawek), wytrzymałość na ściskanie i odporność na ścieranie, odporność na korozję, wysoka biotolerancja, ogniotrwałość, wytrzymałość mechaniczna.

Zastosowanie: - w budowie silników spalinowych tłokowych i wirnikowych,

- w technice rakietowej, - w elektronice (podłoża układów scalonych), - w technice światłowodowej, - w inżynierii biomedycznej, - w metalurgii, - w przemyśle narzędziowym, itp. - optyka, mechanika - izolacje termiczne

Ważnymi obszarami zastosowania ceramiki inżynierskiej są technika jądrowa (kontenery do przechowywania odpadów radioaktywnych) i technika wojskowa (pancerze pojazdów lądowych, okrętów, samolotów i helikopterów). Ostatnio stosuje się je również jako wkładki w kamizelkach kuloodpornych.

Wiele materiałów z ceramiki inżynierskiej jest stosowane do budowy materiałów kompozytowych

33. Materiały węglowe: rodzaje, właściwości, zastosowanie.

Materiały węglowe to inaczej odmiany alotropowe węgla. Należą do nich:

- diament - jest metastabilną odmianą alotropową węgla. Jego struktura jest regularna

- grafit - stanowi formę krystaliczną węgla pierwiastkowego. Grafit ma strukturę warstwową, gdzie każda warstwa jest zbudowana z foremnych sześcioboków

- fulereny - są odmianą alotropową węgla odkrytą w 1985 roku. Zawierają 60 atomów w sferycznych klastrach złożonych z układów heksagonalnych i pentagonalnych (rys. 8.45). W stanie stałym klatki C60 tworzą strukturę krystaliczną, ułożone razem w układzie regularnym ściennie centrowanym. Postać krystaliczna fullerenu nazywana fullerytem może wykazywać twardość większą od diamentu - jego cena może być wielokrotnie wyższa od złota.

- Włókna węglowe - wytwarzane z różnych materiałów w tym z polimerów naturalnych i sztucznych, smoły, żywic fenolowych i fenolowo-formaldehydowych. Stanowią jedną z najważniejszych grup materiałów wzmacniających w kompozytach

- Węgiel szklisty - ma wygląd szkła i daje się łatwo polerować. Otrzymywany jest w drodze kontrolowanej degradacji niektórych polimerów w 900-1000 oC. Jest stabilny do 3000 oC i wykazuje dobre przewodnictwo cieplne. Jest twardy i cechuje się dobrą tolerancją biomedyczną.

- Nanorurki węglowe - są jednowymiarowymi przewodami kwantowymi.

Właściwości:

a) diament - najtwardszy z minerałów, półprzezroczyste ciało stałe, ma właściwości półprzewodnikowe, dobry przewodnik ciepła, trudno topliwy i odporny na działanie kwasów i zasad, spala się w wysokiej temperaturze.

b) grafit - nieprzezroczyste, miękkie, łatwo topliwe ciało stałe o stalowoszarej barwie, dobrze przewodzi prąd i ciepło, odporny na wysoką temperaturę

c) fulereny - półprzezroczyste ciało stałe o barwie żółtej, ma właściwości półprzewodnikowe i nadprzewodnikowe, rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych

Zastosowanie:

a)diament - biżuteria, końcówki wierteł, w chirurgii jako narzędzia do cięcia, noże do cięcia ciał, proszki ścierne

b) grafit - ołówki, elektrody, szczotki do silników, tygle laboratoryjne, smary, substancje antykorozyjne

c) fulereny - przewodników, półprzewodniki, nadprzewodniki, smary, włókna sztuczne, farmacja.

d) Nanorurki - trwają intensywne prace nad wdrożeniem do stosowania w technice (np. w konstrukcji jonowych baterii litowych i ogniw paliwowych, układach elektronicznych, itp.).

34. Materiały kompozytowe - charakterystyka i klasyfikacja.

Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (elementy wzmacniające, wypełniacze i lepiszcze stanowiące osnowę kompozytu) różniących się rodzajem lub składem chemicznym w skali makroskopowej. Składniki materiałów kompozytowych zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast oddziaływają wspólnie. Zwykle składniki te mogą być identyfikowane fizycznie i wykazują powierzchnie rozdziały między sobą. Zwykle są sztucznie wytwarzane dla uzyskania własności, które nie mogą być uzyskane oddzielnie przez żaden z występujących składników. Są stosowane nie tylko w celu zastosowania odpowiednich właściwości mechanicznych, ale także elektrycznych, cieplnych, trybologicznych, związanych z pracą w różnych środowiskach itd. Materiały kompozytowe najczęściej zawierają włókna lub cząsteczki faz i są sztywniejsze i bardziej wytrzymałe niż ciągła faza osnowy.

KLASYFIKACJA:

1. ze względu na materiał osnowy: o osnowie organiczne (węglowej lub polimerowej), metalowej, międzymetalicznej, ceramicznej

2. ze względu na rodzaj składników wzmacniających: wzmacniane cząstkami (duże cząstki lub utwardzane dyspersyjnie), wzmacnianie włóknami ( włókna: ciągłe, tkaniny, nieciągłe - zorientowane, rozmieszczone przypadkowe), kompozyty strukturalne (warstwowe lub z rdzeniem z materiałów lepkich)

35. Włókna do zbrojenia kompozytów.

(szklane, węglowe + grafitowe, borowe, polimerowe, ceramiczne)

- szkło - wysoka wytrzymałość, mała sztywność, duża gęstość, najniższe koszty

- węgiel - wysoki moduł sprężystości lub wysoka wytrzymałość, niski koszt, mniejsza gęstość niż szkła

- bor - wysoka wytrzymałość i sztywność, najwyższa gęstość, największy koszt

- włókna organiczne - takie jak bawełna, juta i sizal wykorzystywane są do zbrojenia kompozytów od dawna. Zakres ich stosowania był jednak bardzo ograniczony ze względu na bardzo niskie parametry mechaniczne. Dopiero pojawienie się włókien aramidowych spowodowało ich szerokie wykorzystywanie w produkcji lotniczej, samochodowej, a przede wszystkim sprzętu sportowego

- aramidy - największy stosunek wytrzymałości do masy ze wszystkich włókien, wysoki koszt

- ceramiczne

36. Materiały kompozytowe o osnowie polimerowej wzmacnianie włóknami.

Kompozyty o osnowie polimerowej inaczej zwane też kompozytami z tworzyw sztucznych stanowią największą grupę materiałów kompozytowych.

Kompozyty polimerowe ze wzmocnieniem z włókna szklanego używane są od lat pięćdziesiątych. Kompozyty te mają szerokie zastosowane w lotnictwie, transporcie, budownictwie, okrętownictwie i przemyśle samochodowym.

Do produkcji tych materiałów znajdują zastosowanie liczne materiały polimerowe, jak np.:

- poliestry - najpowszechniejsze, trudno palne, samo gaszące się, specjalne gatunki odporne chemiczne, dogodne zastosowanie mechaniczne, elektryczne, okrętowe i ogólne

- żywica fenylowa - niski koszt, odpowiednia do formowanie ręcznego i prasowania, trudno palna, duże zastosowanie w środkach transportu publicznego

- silikony - podwyższona odporność na łuk elektryczny, stosowane głównie z matami szklanymi

- furany - wysoka odporność na procesy biologiczne

- melamina - zastosowanie elektryczne, wysoka wytrzymałość, odporność ogniowa i na odczynniki alkaliczne

- poliimidy - wysoka wytrzymałość w podwyższonych temperaturach

- żywica epoksydowa.

Długie i cienkie włóka stosowane do tej grupy kompozytów mogą być użyte do wytwarzania preimpregnatów, w postaci: mat, tkanin, oplotów i dzianin.

37. Materiały kompozytowe o osnowie metalicznej wzmacniane włóknami.

a. wzmacnianie włóknami ciągłymi:

Są to materiały o szerokim zastosowaniu, ze względu na własności mechaniczne, odporność na zużycie oraz własności cieplne. Ich osnowę stanowią stopy lekkie i żarowytrzymałe nadstopy. Wzmacnianie są włóknami borowymi, węglowymi, tlenkowymi i wolframowymi. Możliwe jest dostosowanie ich własności do wymagań i zapewnienie zwiększonej wytrzymałości, sztywności, przewodności cieplnej, odporności na ścieranie, wytrzymałości zmęczeniowej i stabilności wymiarowej. Mogą być stosowane w znacznie wyższych temperaturach niż kompozyty o osnowie polimerowej. Są niepalne, nie odparowują w próżni i są odporne na działanie cieczy organicznych, paliw i rozpuszczalników.

Można wymienić takie metody wytwarzania tych kompozytów:

- odlewanie ciśnieniowe matrycowe

- infiltracja ciekłych metali

- metody metalurgii proszków

- dyfuzyjne zgrzewanie pakietów płyt wstępnie przygotowanych

- prasowanie ciągłe

- odlewanie gęstwy, suszenie, spiekanie i dogęszczanie, a następnie prasowanie na gorąco pakietów

- metody hybrydowe i inne.

2. wzmacnianie włóknami nieciągłymi.

Ich własności są połączeniem własności osnowy i włókien wzmacniających. Każdorazowo o zastosowaniu danych włókien decydują pożądane własności i koszty. Stosowane są na ogół konwencjonalne metody wytwarzania tych kompozytów: metalurgia proszków, procesy infiltracji ciekłych metali oraz przetwórstwo przez wyciskanie, kucie, walcowanie i inne metody odkształcania plastycznego.

38. Materiały kompozytowe o osnowie ceramicznej i węglowej wzmacnianie włóknami.

MK o osnowie ceramicznej CMCs wykazują wysoką żaroodporność i lepszą odporność na zniszczenie niż monolityczne materiały ceramiczne. Są one klasyfikowane na trzy typy:

- wzmacniane włóknami nieciągłymi DR-CMCs

- wzmacniane włóknami ciągłymi CFCCs

- o osnowie węglowej wzmacniane włóknami węglowymi CCCs .

MK o osnowie ceramicznej i węglowej są wytwarzane z wykorzystaniem zarówno techniki konwencjonalnej metalurgii proszków jak i nowszych technik wprowadzonych specjalnie dla tej grupy MK.

MK o osnowie ceramicznej i węglowej mają zastosowanie następujące:

- jako płytki do zbrojenia narzędzi skrawających,

- na elementy odporne na zużycie,

- w technice kosmicznej, lotniczej i militarnej,

- inne (silniki i urządzenia energetyczne).

MK o osnowie węglowej wzmacniane włóknami węglowymi mają zastosowanie jako:

- elektroniczne płaty cieplne (np. pamięci),

- termiczne operatory naśladujące statków kosmicznych,

- radiatory,

- wymienniki cieplne,

- ekrany termiczne w samolotach.

39. Drewno jako naturalny materiał kompozytowy wzmacniany włóknami.

Drewno wciąż cieszy się dużym zainteresowaniem technicznym. Znajduje szerokie zastosowanie jako wystarczająco wytrzymały i lekki materiał konstrukcyjny, ze względu na swoje piękno jest także często stosowany jako materiał wykończeniowy, a także służy jako materiał do wyrobu wielu artykułów codziennego użytku. Jest otrzymywane ze ściętych drzew i w wyniku odpowiedniej obróbki jest kształtowany na wymagane sortymenty. Może być traktowany jako kompleksowy materiał kompozytowy wzmacniany włóknami, złożony z długich, jednoosiowo zorientowanych rurowych komórek polimerowych o osnowie polimerowej, których pory są wypełnione powietrzem i wodą. Układ ten zapewnia dobre własności wytrzymałościowe w kierunku wzdłużnym. Drewno złożone jest z licznych warstw, podłużnych komórek zbudowanych z warstw z mikrofibryli, a większość tych włókien ma strukturę krystaliczną.

Drewno dzieli się na następujące sortymenty:

- okrągłe nieobrobiony (okrąglaki traczne, budowlane, kopalniane, słupy i papierówka)

- okrągłe obrobione (tarcica, parkiety, klepki, pokłady kolejowe)

- opałowe

Drewno charakteryzuje się małą gęstością, trwałością, sprężystością, wystarczającą w wielu przypadkach wytrzymałością, małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, małą przewodnością cieplną, elektryczną i dobrą podatnością na obróbkę mechaniczną. Jest higroskopijne, czyli wykazuje skłonność do pochłaniania wilgoci i wyparowywania jej po ogrzaniu, co przyczynia się do jego pękania.

Z drewna wytwarza się różne materiały o technicznym znaczeniu:

- drewno prasowane

- forniry - cienkie płyty drewna o grubości 0,4-3 mm

- sklejki - płyty sklejonych fornirów o grubości 4-20 mm

- drewno warstwowo prasowane

- płyty pilśniowe

40. Inne kompozyty.

a. materiały kompozytowe warstwowe (laminarne)

Najczęściej stosowane materiały kompozytowe jako materiały konstrukcyjne, złożone z połączonych ze sobą kilku lub wielu warstw dwuwymiarowych płyt lub paneli o wysokich izotropowych właściwościach. Mogą być utworzone także z użyciem tkanin i dzianin lub naprzemianległych układów włókien ciągłych.

Do tej grupy kompozytów zaliczają się: laminaty, bimetale, platery, grube warstwo ochronne, bardzo cienkie pokrycia.

Cele zastosowania tych materiałów mogą być związane z:

- poprawą własności wytrzymałościowych (laminaty)

- regulacją własności fizycznych i mechanicznych (bimetale, platery)

- zwiększeniem odporności chemicznej oraz na działanie czynników środowiskowych (laminaty, platery, grube warstwy ochronne i bardzo cienkie pokrycia)

- obniżeniem kosztów produktu przez zastosowanie relatywnie tanich materiałów konstrukcyjnych o wymaganych własnościach wytrzymałościowych i/lub odpowiednio małej gęstości

2. materiały kompozytowe warstwowe z rdzeniem w kształcie plastra miodu.

W latach 40-tych XX wieku po raz pierwszy zastosowano MK z lekkim rdzeniem w kształcie plastra miodu w samolotach wojskowych. Osiągnięto znaczne zmniejszenie masy, zmniejszenie zużycia paliwa i zwiększenie zasięgu samolotu. Oprócz rdzeni w kształcie plastra miodu są stosowane rdzenie z pianki lub balsy (drewno z drzew występujących na Antylach lub w Ameryce Południowej). W zależności od wymagań aplikacyjnych jest dobierany odpowiedni kształt komórek MK z rdzeniem w kształcie plastra miodu. Wybór materiału na konstrukcję rdzenia zależy od docelowego zastosowania MK.

Stosowane są dwie metody wytwarzania rdzeni MK warstwowych z rdzeniem w kształcie plastra miodu:

- metoda rozciągania,

- metoda fałdowania.

41. Podstawowe czynniki uwzględniane podczas projektowania technologicznego.

- dobór procesów wytwarzania ściśle związany z doborem materiałów inżynierskich na jego elementy

- maksymalizacja jakości przy równoczesnej minimalizacji kosztów produkcji

- czynniki materiałowe - dobór materiału ściśle związany z procesem wytwarzania, dobór odpowiedniego materiału do techniki wytwarzania (odpowiednio wytrzymałego, odpowiednio plastycznego, niezbyt kruchego, o odpowiednim stopniu odlewniczym, znajomość zachowywania się materiału w danej temperaturze, odporność na ścieranie, odpowiedni do nadania pożądanego kształtu, odpowiednia struktura materiału zapewniająca oczekiwane własności mechaniczne, fizyczne i chemiczne produktu)

- czynniki kształtu (zapewnienie najprostszego kształtu spośród możliwych, jak najniższy koszt, dobór odpowiedniego procesu wytwarzania - czy otrzymamy pożądany kształt?)

- czynniki technologiczne (czas cyklu, elastyczność, uzysk materiałów, jakość, koszty operacyjne - odpowiedni dobór procesów wytwarzania na podstawie ocen czynników technologicznych - najlepiej komputerowy)

42. Projektowanie technologiczne produktów z różnych grup materiałów inżynierskich.

- procesy odlewnicze - we wszystkich procesach odlewniczych metale i ich stopy są topione, odlewane do form w celu zakrzepnięcia, a następnie wyjmowane z form w celu dalszej obróbki. Dobór procesu odlewniczego w dużej mierze zależy od temperatury topnienia metalu lub stopu. Innymi czynnikami decydującymi o pozwodzeniu tego procesu są: porowatość i zagazowanie odlewów, projekt formy i układu wlewowego, grubość ścianek projektowanego odlewu, warunki krzepnięcia w formie oraz lejność wykorzystywanych stopów.

- obróbka plastyczna - wszystkie procesy obróbki plastycznej wykorzystują możliwość zmiany kształtu metali i stopów w wyniku odkształcania plastycznego. Dobór procesów obróbki plastycznej oparty jest na znajomości stanu odkształceń, poziomu naprężeń oraz temperatury.

- metalurgia proszków - sposób wytwarzania elementów o złożonym kształcie, ciasnych tolerancjach wymiarowych, kontrolowanej gęstości i właściwościach. Proszki metali produkowane są przez redukcję tlenków, rozkład w Wysokiem temperaturze, elektroniczne, w procesach hydrometalurgicznych lub przy rozpyleniu cieczy metalowej. Metalurgia proszków znajduje zastosowanie, gdy pożądaną cechą jest porowatość produktów i wymagana jest porowata struktura.

- obróbka ubytkowa - alternatywa do nadawania ostatecznego kształtu. (gdy elementy w inny sposób wcześniej wytworzone wymagają usunięcia części materiału w celu nadania ostatecznego kształtu, zapewnienia tolerancji wymiarowych oraz wymaganej chropowatości powierzchni) - ważna tutaj jest dobra skrawalność

- obróbka cieplna - zespól zabiegów wywołujących polepszenia właściwości mechanicznych i fizyko-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka.

- obróbka powierzchniowa - nadanie określonych własności na powierzchni produktu.

- procesy łączenia - procesy spajania prowadzące do trwałych połączeń - lutowanie, zgrzewanie, spawanie.

Materiały ceramiczne i szkła:

- powstają z proszków metali i dzięki dodaniu wody zachowują się jak ciała plastyczne i mogą być formowane przez prasowanie lub prasowanie izostatyczne. Dla kształtów dwuwymiarowych dużą wydajność sprawia wyciskanie, a większe dodatnie do wody umożliwia odlanie do form. Następnie są suszone i odpowiednio spiekane w procesach wysokotemperaturowych.

- tafle szkła wykonywane są przez wylewanie na powierzchnię roztopionej cyny, ciągnienie poziome lub pionowe, walcowanie z następną obróbką zapewniającą płaskość i odpowiednią gładkość

Materiały polimerowe:

- prasowanie tłoczne, prasowanie przetłoczne, formowanie wtryskowe, wyciskanie, odlewanie, termo formowanie próżniowe, termo formowanie ciśnieniowe.

Materiały kompozytowe:

1. osnowa metalowa - nasączanie, odlewanie ciśnieniowe, walcowanie na gorąco, łączenie dyfuzyjne, odlewanie, wyciskanie na gorąco, kucie, techniki metalurgii proszków

2. osnowa węglowa - nasączanie, infiltracja form z włókien.

3. osnowa ceramiczna - prasowanie na gorąco, prasowanie i spiekanie, odlewanie, metalizacja natryskowa

17

---