!

" # $ % %$&

" '

( "

"

) * +,-

" '

( " #

"

) *

Wykłady:

Laboratorium:

(egzamin)

Podział materiałów in ynierskich

Charaterystyka struktury materiałów - poziomy budowy wewn trznej

Ogólna charakterystyka wła ciwo ci mechanicznych materiałów

Ogólna charakterystyka technologii wytwarzania materiałów in ynierskich

Elementy krystalografii

Defekty struktury materiałów

Krystalizacja stopów

Rodzaje faz wyst puj cych w stopach

Reguła faz Gibbsa

Przemiany fazowe

Dwuskładnikowe wykresy równowagi fazowe w korelacji z mikrostruktur materiałów

Metody umacniania stopów

Charakterystyka tworzyw sztucznych, ceramiki i kompozytów

. /

( " #

"

0 123

4

5

&

+

5

6

"

5 7

#

75

8

"9

8

-

. /

"1

7

( "

:

; <

&

+ 7 " 5

:=57

"7

"

89# 7

"1

7 " 5

"

5

#

5

( -

.%/

!

"

( " #

"

"

"

5

; <

> + 7

9?

:

=

8 -

+

75:

57 #

75

6

-

.@/

#

$

( "

"

7"

5

5

; <

+

75:

7

"

:

A

B

"

5

78 "

8

-

%

!

&

&

# % C

5

#

" 7:

"

"

5

D

7 "

'

(

- pierwsze czasopismo z takim tytułem w 1966 (Pergamon Press),

W Polsce obecnie u ywamy terminów:

Materiałoznawstwo, dawniej Metaloznawstwo (od 1924)

integracja wielu dziedzin nauki wcze niej rozwijaj cych si osobno:

metaloznawstwo, ceramika, fizyka ciała stałego, krystalografia, chemia

fizyczna, fizykochemia polimerów, mechanika o rodków ci głych oraz

wielu elementów dyscyplin in ynierskich (konstrukcyjnych i technologicznych)

- obszar wiedzy potrzebnej dla post pu w materiałach, a szczególnie dla

rozwi zywania zło onych problemów technicznych cz sto niezgodnych

z tradycyjnymi dyscyplinami (USA, raport COSMAT 1975)

- dyscyplina ostatecznie zdefiniowana w 1986 (encyklopedia Pergamon Press),

Ang. termin nie daje si elegancko przeło y na j. polski, z tego wzgl du stosujemy zwykle
zamiennie

In ynieria materiałowa

lub

Nauka o materiałach

Pierwszym materiałem, którym zainteresowała si nauka nowo ytna była stal. Od czasu
przeprowadzonego w 1799 r. przez Cloueta i de Morveau (Francja) do wiadczenia, w którym otrzymano j
przez stopienie tygielka z mi kkiego, czystego elaza do którego wło ono diament.

)

*

+

4

5

7

75

#

"

:=575

"

9

4

5

7

5

" 7 "7

"

" 7

25

25

"

9

!

"75

7

7 "

7

5 9

" 5

# 8 5

75

"

" 1

"

9

E

#

7

9

# " 57: 75 #

7"

5

1

"

9

!

7

" 25

"

9

"

9

75

5

# " 57: 75

8#1

" 5

5

75

5

75

# 8 5

75

75

9

"

9

5 9

" 5

# 8 5

75

" " :=575

5

"

" 1

25

25

5 #

"

75

7 "

5 " 5

5

75

)

*

,

-

.

.

,

,

Materiałoznawstwo zajmuje si okre laniem wzajemnych powi za

mi dzy struktur metali, procesem ich wytwarzania i przetwarzania

oraz ich wła ciwo ciami.

Wła ciwo ci wszystkich materiałów wynikaj z ich „budowy wewn trznej”

'

/

0 7

9

=

1

" 7

F

G

H

=

# 8 25

1

7 5 = " 5

G

I 5

5 = " 5

G

# 25 =

7

1

7 5 = " 5

Wyst powanie substancji w danym stanie skupienia zale y od warunków

termodynamicznych

'

/

W

gazach

gazach

gazach

nie istnieje jakiekolwiek uporz dkowanie

nie ma praktycznie adnych oddziaływa mi dzy atomami

W

cieczach

cieczach

cieczach

istnieje uporz dkowanie w bliskim otoczeniu

(powstaj strefy wzajemnego uporz dkowania w których atomy

zachowuj stałe odległo ci – tworz si cz steczki)

W przypadku niektórych

amorficznych ciał stałych

amorficznych ciał stałych

amorficznych ciał stałych

istnieje uporz dkowanie bliskiego zasi gu

Najbardziej uporz dkowane s

krystaliczne ciała stałe

krystaliczne ciała stałe

krystaliczne ciała stałe

Jonowe (in. heteropolarne)

– powstaje, gdy reaguj ze sob pierwiastki

znacznie ró ni ce si elektroujemno ci . Zwi zane jest z d eniem atomów

do tworzenia trwałych 8-elektronowych konfiguracji poprzez uwspólnienie

elektronów. Zachodzi wskutek przeniesienia elektronów walencyjnych

z atomu metalu do atomu niemetalu. Atom metalu przekształca si w kation,

a atom niemetalu – w anion.

+

.

!

Rodzaj wi za wyst puj cy pomi dzy atomami zale y od ilo ci elektronów

walencyjnych znajduj cych si na ostatniej powłoce elektronowej atomu!

Kowalencyjne (in. atomowe, homopolarne)

– tworzy si mi dzy atomami

o redniej ró nicy elektroujemno ci (niemetalami). Powstanie wi zi

pomi dzy jednakowymi atomami polega na utworzeniu z elektronów

walencyjnych pary elektronów stanowi cej własno obu atomów.

+

.

!

Kowalencyjne niespolaryzowane – wyst puje mi dzy atomami o identycznej elektroujemno ci

(ka dy z nich tak samo oddziałuje na wspólne elektrony)

Kowalencyjne spolaryzowane – wyst puje mi dzy atomami

o innej elektroujemno ci. Tworzy si dipol wskutek tego, e

wspólna para elektronowa jest przyci gana silnej przez atom

bardziej elektroujemny.

Metaliczne

– powstaje, gdy reaguj ze sob pierwiastki nieznacznie ró ni ce

si elektroujemno ci i oba s metalami. W przypadku gdy atom ma niewiele

elektronów walencyjnych ulegaj one stosunkowo łatwo oderwaniu od jego

j dra. Efektem tego jest powstanie delokalizacji elektronów, czyli ich

oderwanie od atomów (utworzenie dodatnich jonów i gazu elektronów

swobodnych, niezwi zanych z jonami). Jony dodatnie oraz poruszaj ce si

pomi dzy nimi elektrony o ujemnym ładunku wzajemnie si przyci gaj

tworz c wi zanie metaliczne.

+

.

!

Mi dzycz steczkowe (oddziaływania siłami van der Walsa)

– nale do

najsłabszych wi za atomowych – s wi zaniami wtórnymi, wyst puj

zawsze obok wi zania pierwotnego!

ródłem przyci gania w tego rodzaju wi zaniach s dipole elektryczne

(cz stki o pewnej biegunowo ci). S siednie cz steczki indukuj w sobie

wzajemnie dipole elektryczne, co staje si ródłem słabego przyci gania

pomi dzy nimi. Dodatni biegun dipola przyci gany jest przez ujemny biegun

dipola s siedniego.

+

.

!

#

0

+

1

2

/

/

*

'

wykazuj uporz dkowanie dalekiego zasi gu - atomy lub cz steczki uło one s

wzgl dem siebie w sposób regularny zachowuj c przestrzenn symetri wzgl dem punktu,

prostej i płaszczyzny

ka dy atom ma jednakow liczb najbli szych i równoodległych s siadów

(liczba koordynacji - lk )

atomy s uło one w okresowo w powtarzaj cych si odst pach w trzech kierunkach

Metale i ceramika

'

0

Szkła i polimery

wykazuj uporz dkowanie bliskiego zasi gu - atomy lub cz steczki s rozmieszczone

w sposób chaotyczny

3

0

+

+

Krzemionka amorficzna SiO

2

Krzemionka krystaliczna SiO

2

Przestrzenna sie ła cuchów Si-O-Si-O-…

rozmieszczonych w sposób nieuporz dkowany

Krystobalit – odmiana kwarcu

Schemat struktury przestrzennej

PET amorficzny

PET krystaliczny

Stan wyst powania

mo e zale e od

procesu wytwarzania

!

1

4

0

2

Materiały polimerowe i ceramiczne:

obszar
amorficzny

obszar
krystaliczny

obszary krystaliczne (krystality) wykazuj ce

uporz dkowanie dalekiego zasi gu, rozdzielone s

obszarami amorficznymi

stopie krystaliczno ci mo e dochodzi do 90%

1

4

0

2

Ceramika:

#

0

+

*

/

.

!

-

&

,

,

Wła ciwo ci

Mechaniczne

Fizykochemiczne

Inne

Statyczne

Dynamiczne

Technologiczne

Lejno

Skrawalno

Spawalno

Hartowno

G sto

Przewodno

elektryczna

Przewodno

cieplna

Wyznaczone w próbach:

rozci gania, ciskania,

skr cania, zginania

Twardo

Udarno

Odporno na p kanie

Odporno na pełzanie

Wytrzymało zm czeniowa

'

/

.

zało eniem próby jest stała pr dko rozci gania [mm/min] – siła jest

odpowiedzi materiału próbki,

.

/

.

powstawanie szyjki

przełom w szyjce

.

/

.

wykresy rozci gania:

a) z wyra n granic plastyczno ci,

b) bez wyra nej granicy plastyczno ci,

1 *

2

.

σσσσ J 0 1 2

R

0,2

–

umowna granica plastyczno ci,

(przy = 0,2%, gdy brak wyra nej)

R

m

=

F

m

/S

0

– wytrzymało na rozci ganie

R

u

=

F

u

/S

u

- napr enie zrywaj ce

R

e

=

F

e

/S

0

- fizyczna granica plastyczno ci

A = (L

u

– L

0

)/L

0

-

wydłu enie [%]

Z = (d

0

– d

u

)/d

0

-

przew enie [%]

E =

σσσσ

/

-

moduł Younga [MPa]

'

/

,

metoda Brinella – polega na wciskaniu wgł bnika w badany materiał oraz

pomiarze rednicy odcisku

1- kulka o rednicy

D [mm]

(stalowa lub z w glików spiekanych, D = 1

÷

10mm),

2- obci enie

F [N]

(10

÷

30 000 N, zale nie od twardo ci materiału),

3- badany materiał,

4- odcisk o rednicy

d [mm],

2

2

(

204

,

0

d

D

D

D

F

HB

−−−−

−−−−

====

ππππ

jednostki niemianowane,

np. 200HB

'

/

,

metoda Vickersa – polega na wci ni ciu w metal diamentowego

ostrosłupa oraz pomiarze przek tnych odcisku

d - rednia

arytmetyczna

przek tnych jednego

odcisku, [mm]

F - siła nacisku, [N]

2

189

,

0

d

F

HV ====

'

/

,

metoda Rockwella -

polega na dwustopniowym wciskaniu wgł bnika w badany materiał

oraz pomiarze trwałego przyrostu gł boko ci odcisku po odci eniu

F

0

, F

1

– obci enie wst pne oraz główne, [N]

h

0

, h

1

– gł boko

odcisku przy obci eniu wst pnym oraz głównym, [mm]

h – trwały przyrost gł boko ci odcisku (mierzony pod obci eniem F

0

)

K – stała wyra ona w jednostkach podziałki (np. K=100 dla sto ka)

wgł bnik:

- sto ek diamentowy (dla materiałów twardych),

- kulka stalowa (dla materiałów mi kkich),

wynik pomiaru:

nnHR oraz skala, np. 65HRC, 93HRB, 48HRK, itp.

002

,

0

h

K

HR

−−−−

====

,

Wynikiem pomiaru jest

praca łamania [J],

czyli warto pracy

odpowiadaj ca energii zu ytej

na złamanie próbki

Udarno

(praca łamania) ma istotne znaczenie jako wska nik

okre laj cy

ci gliwo

materiału

(obci enie dynamiczne oraz

zło ony stan napr enia na dnie karbu)

Młot Charpy’ego

KV- udarno wyznaczona na próbkach typu V

KCU – udarno wyznaczona na próbkach typu U

/

,

/

pełzanie - zwi kszaj ce si z upływem czasu odkształcenie plastyczne pod wpływem stałego obci enia,

dla metali zjawisko istotne dopiero w temperaturach pracy powy ej ok. 0,3

÷

0,5 T

t

,

dla polimerów i kompozytów o osnowie polimerowej zjawisko istotne ju w temperaturze pokojowej,

granica pełzania:

R

x/t/T

np.

R

0,2/10000/500

wytrzymało

na pełzanie:

R

z/t/T

,

np.

R

z/1000/600

(zerwanie próbki)

(odkształcenie 0,2%)

,

-

1

-

2

1- ognisko,

2- strefa przyogniskowa,

3- uskoki pierwotne,

4- uskoki wtórne,

5- linie zm czeniowe,

6- strefa przej ciowa,

7- strefa resztkowa,

8- kierunek obrotu wału,

Schemat cech powierzchni złomów zm czeniowych

Wykres zm czeniowy Wohlera

wska niki okre laj ce

„wytrzymało ”

materiału

wska niki okre laj ce

„ci gliwo ”

materiału

R

e

lub R

0,2

- granica plastyczno ci,

R

m

- wytrzymało

na rozci ganie

HV, HB, HRC - twardo ,

- pomiar twardo ci nale y do wygodnych i tanich bada

nieniszcz cych (kontrola poprawno ci i jako ci),

- wyniki mo na wykorzysta do oszacowania

R

m

lub R

e

,

- przykładowo dla stali (empirycznie):

R

m

[MPa] = (3,4

÷÷÷÷

3,6) HB

R

0,05

- umowna granica spr ysto ci,

Najcz ciej wysokim warto ciom wska ników wytrzymało ciowych odpowiadaj niskie

warto ci wska ników opisuj cych ci gliwo

i odwrotnie - konieczno

kompromisu

w wyborze stanu materiału.

A - wydłu enie (miara łagodna),

Z - przew enie (miara bardziej ostra),

K - udarno

(miara ostra),

K

Ic

- odporno

na p kanie (miara b. ostra),

5
4 #

układ wlewowy

nadlew

piasek

odlew

skrzynka metalowa

ciekły metal

tłok

odlew

forma

ODLEWANIE DO FORMY

ODLEWANIE CI NIENIOWE

Z GOR C KOMOR TŁOKOW

Z GOR C KOMOR POWIETRZN

5
4 #

ODLEWANIE OD RODKOWE

5
4 #

natrysk wody

dopływ

wody

krystalizator

dopływ ciekłego metalu

zakrzepły metal

odpływ wody

wlewek

ODLEWANIE CI GŁE WLEWKÓW

5

9

# "75

walec

matryca

siła

tłok

siła

walec

WALCOWANIE

KUCIE

WYCISKANIE (PRASOWANIE)

CI GNIENIE

5
( " # 8

9

wypraska

proszek

PRASOWANIE JEDNOOSIOWE

WYSOKOTEMPERATUROWE PRASOWANIE IZOSTATYCZNE

zbiornik ci nieniowy

piec

gaz

ci nienie

proszek w pojemniku

z cienkiej blachy stalowej

Podstawowym kryterium doboru materiału jest jego przeznaczenie i warunki

pracy gotowego wyrobu.

Musz by przy tym spełnione nast puj ce warunki:

materiał musi posiada wymagane wła ciwo ci fizyczne i mechaniczne,

materiał mo na podda okre lonemu procesowi technologicznemu, aby nada

mu posta o wymaganym kształcie,

materiał i technologia musz spełnia kryteria ekonomiczne.

Wymagania sztywne to te, które bezwzgl dnie musz by brane pod uwag ,

np. dost pno danego materiału lub jego przydatno do okre lonej

technologii wytwarzania czy te minima wła ciwo ci.

Wymagania podrz dne obejmuj wła ciwo ci, które mog by podmiotem

kompromisu lub rozwi za kompromisowych, czy alternatywnych. Dotyczy to

cz sto wła ciwo ci mechanicznych, ci aru wła ciwego, kosztu materiału .