!
" # $ % %$&
!
" # $ % %$&
" '
( "
"
) * +,-
" '
( " #
"
) *
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 .