Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 1/15

MATERIAŁOZNAWSTWO CHEMICZNE

Pojęcia podstawowe

1. Wybór materiału inżynierskiego - istotne właściwości

- ekonomia (cena, dostępnośd)
- mechaniczne właściwości objętościowe (gęstośd, współczynnik sprężystości,
plastycznośd, wytrzymałośd zmęczeniowa)
- niemechaniczne właściwości objętościowe (cieplne, optyczne, magnetyczne)
- właściwości powierzchni (utlenianie, korozja, tarcie, ścieranie)
- właściwości produkcyjne (łatwośd wytwarzania, łączenie części, wykooczenie)
- właściwości estetyczne (wygląd, dotyk)

2. Rodzaje materiałów inżynierskich i ich główne właściwości

- metale i ich stopy

- głównie stopy Fe, Cu, Al, Ni, Ti

- duża sztywnośd

- ciągliwośd

- odpornośd na pękanie

- dobra przewodnośd elektryczna i cieplna

- połysk metaliczny

- materiały ceramiczne i szkła

- głównie tlenki lub związki chemiczne z C, N, P, S

- podstawowe składniki Al

2

O

3

, SiO

2

, MgO, Sic

- mała przewodnośd elektryczna i cieplna

- dobra zdolnośd przenoszenia obciążeo ściskających

- słaba ciągliwośd i odpornośd na pękanie

- odpornośd na korozję i wysoką temperaturę

- ceramika Al

2

O

3

, MgO, SiO

2

- materiały ogniotrwałe

- metale i mat. ceramiczne posiadają strukturę krystaliczną

- szkła - kruche, przezroczyste, odporne chemicznie, przeprowadzenie ze stanu

szklistego w krystaliczny (dewitryfikacja) przez obróbkę cieplną

- polimery

- związki chemiczne C z H (też O, N, F, Cl, S)

- zbudowane z merów (>500 w cząsteczce)

- mała przewodnośd cieplna i elektryczna

- dobra odpornośd na korozję

- estetyczny wygląd

- niska odpornośd temperaturowa

- kompozyty

- co najmniej dwa materiały z metali, ceramiki, tworzyw sztucznych

- wytwarzane przez człowieka i naturę

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 2/15

3. Zależnośd między właściwościami materiału, jego strukturą i procesem wytwarzania

- podstawowe właściwości mechaniczne określające zachowanie materiału:

- moduł sprężystości

- granica plastyczności

- wytrzymałośd na rozciąganie

- odpornośd na pękanie

- twardośd

- ciągliwośd

- zachowanie pod wpływem obciążeo dynamicznych, zmieniających się

cyklicznie, w wysokich temperaturach

4. Budowa atomu

- cząstki główne:

- proton (m = 1u = 1.67 10

-23

kg; ładunek = +1 = 1,6 10-

19

C)

- neutron (m = 1u = 1.67 10

-23

kg; ładnuek = 0)

- elektron (m = 1/1837u = 9,1 10-31kg; ładunek = -1 = -1,6 10-

19

C)

- cząstki niepodzielne wg modelu standardowego, z podziałem na generajce

Rodzaje
cząstek

Rodziny (generacje cząstek)

Ładunek

elektryczny

Kwarki

Pierwsza

Druga

Trzecia

Górny (up)

Powabny
(charm)

Wierzchołkowy
(top)

+2/3

Dolny (down)

Dziwny
(strange)

Piękny (beauty)

-1/3

Leptony

Elektron

Mion

Tauon

-1

Neutrino
elektronowe

Neutrino
mionowe

Neutrino
tauonowe

0

- wszechświat wypełniony jest neutrinami
- gluony - kwanty energii spajające kwarki (8 rodzajów o różnych kombinacjach
„kolorów”)

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 3/15

5. Rodzaje wiązao między atomami; orientacyjne wartości energii

?

Struktura krystaliczna

- materiały ze względu na sposób ułożenia w nich atomów lub jonów można podzielid
na krystaliczne lub niekrystaliczne (szkła)
- większośd metali ma jedną z trzech prostych struktur krystalicznych
- materiały ceramiczne mają szeroki zakres struktur
- szkła z definicji nie mają struktury krystalicznej
- mały ułamek polimerów ma strukturę krystaliczną
- strukturę krystaliczną opisuje 7 układów krystalograficznych oraz 14 typów sieci

6. Geometria komórki elementarnej

- geometrię opisują stałe sieciowe (parametry sieciowe):

- celem opisania położeo sieciowych stosuje się wskaźnikowanie położeo sieciowych i

wksaźnikowanie kierunków sieciowych

- istnieje 14 komórek elementarnych sieci Bravais’go

- przykłady:

- struktura NaCl - sied regularna płasko centrowana - jon Na

+

w położeniu 0 0

0, jon Cl

-

w położeniu ½ 0 0

- struktura CsCl - sied regularna przestrzennie centrowana - jon Cs

+

w

położeniu 0 0 0, jon Cl

-

w położeniu ½ ½ 1/2

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 4/15

- płaszczyzny sieciowe - procedura ustalania wskaźników Millera:

- określenie długości odcinków odciętych na osiach współrzędnych przez
rozpatrywaną płaszczyznę
- podanie odwrotności odcinków
- zredukowanie odwrotności do najmniejszych liczb całkowitych

- oznaczanie struktur krystalicznych - zalecana symbolika Pearsona

1) litera (mała)
- oznacza układ krystalograficzny (cubic, hexagonal i trigonal, tetragonal,
orthorombic, monoclinic, anorthic, triclinic)
2) litera (duża)
- oznacza typ sieci Bravais’go (P - prymitywna, I - przestrzennie centrowana, F -
ściennie centrowana, C - centrowana na podstawie, R - romboedryczna)
3) liczba atomów przypadająca na komórkę elementarną

7. Rodzaje struktury krystalicznej metali

- większośd z metali ma jedną z trzech struktur krystalicznych:

- regularna ściennie centrowana (RSC, cF4, A1) (np. Cu, Al, Ni, Fe-γ, Ag, Au, Pb)
- regularna przestrzennie centrowana (RPC, cI2, A2) (np. Mo, W, V, Nb, Fe-α,
Cr-α)
- heksagonalna zwarta (HZ, hP2, A3) (np. Zn, Mg, Cd, Ti-α, Zr-α)

Właściwości mechaniczne

- naprężenie i odkształcenie

- przy działaniu na pręt siłą F, siła jest równoważona przez siłę oporu wewnętrznego δS
- gdy siła nie jest prostopadła do przekroju powierzchni wyróżniamy składowe:

- normalną (wytwarza naprężenie rozciągające Fn/S)

- styczną (wytwarza naprężenie ścinające Fs/S)

- odkształcenie - reakcja materiału na naprężenie nominalne:

- odkształcenie liniowe - dla prętu o przekruju kwadratowym i boku a

0

:

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 5/15

- odkształcenie poprzeczne - podczas wydłużania następuje zmniejszenie przekroju
poprzecznego:

8. Współczynnik Poissona

- stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym
stanie naprężenia
- wielkoś bezwymiarową, nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki
się on odkształca
- dla prętu rozważanego w pkt 7:

9. Moduł Younga

- obecny w module sprężystości, określającym proporcjonalnośd odkształcenia do
naprężenia rozciągającego

δ - naprężenie, E - moduł Younga, ε - odkształcenie liniowe
- duży moduł Yougna = duża siła by nastąpiło odkształcenie sprężyste materiału
- rośnie wraz ze wzrostem siły wiązao
- zależy od typu wiązao między atomami, składu chemicznego i struktury krystalicznej
- obróbka cieplna i plastyczna mają wpływ na moduł, jeśli nie zmieniają ww.
parametrów
- wartośd anizotropowa
- określa sztywnośd materiału - oprór przeciw wydłużaniu lub ściskaniu sprężystemu

11. Statyczna próba rozciągania

- umożliwia określenie podstawowych charakterystyk wytrzymałościowych i
plastycznych
- wymiary próbek są znormalizowane, rejestracja zależności Δl od F

12. Ważniejsze wielkości określane w próbie rozciągania

- umowna granica sprężystości (np. R

0,05

= F

0,05

/ S

0

- siła powoduje trwałe wydłużenie

o 0,05%)
- umowna granica plastyczności (np. R

0,2

= F

0,2

/ S

0

- siła powodująca trwałe

wydłużenie o 0,2%)

- wytrzymałośd na rozciąganie (R

M

= F

M

/ S

0

)

- wydłużenie względne (A = (l

u

- l

0

) / l

0

· 100%)

- przewężenie względne (Z = (S

0

- S

u

) / S

0

· 100%)

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 6/15

13. Twardośd materiału

- opór materiału przeciw wciskaniu obiektu zwanego wgłębnikiem
- istnieje zależnośd między twardością a wytrzymałością na rozciąganie

14. Udarnośd - wyznaczanie, znaczenie rodzaju stuktury

- odpornośd na działanie naprężeo dynamicznych
- miara udarności to energia konieczna do zniszczenia próbki obciążonej udarowo
- wyznaczanie opiera się na określeniu różnicy położenia początkowego i koocowego
wahadła
- stopy o strukturze RSC - ciągliwy typ przełomu - dobra udarnośd, niezależna od
temperatury
- stopy o strukturze HZ - zazwyczaj kruche
- stopy o strukturze RPC - sposób pękania zależny od temperatury - w niskiej kruche,
w wysokiej ciągliwe

15. Odpornośd na pękanie

- dwa skrajne przypadki zniszczenia przez naprężenie rozciągające:

- materiał bardzo plastyczny (Au, Pb) - przewęża się do pojedynczych atomów
- materiał kraocowo kruchy - pęka bez jakiegokolwiek odkształcenia
plastycznego

16. Zmęczenie materiału

- pękanie materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeo
- wytrzymałośd zmęczeniowa (dla stali) - graniczna amplituda naprężeo przy której
próbka nie ulegnie zniszczeniu nawet przy bardzo dużej ilości cykli
- wytrzymałośd zmęczeniowa (dla stopów nieżelaznych) - największa amplituda
naprężeo przy której próbka nie ulegnie zniszczeniu podczas arbitralnie dużej liczbie
cykli (N=10

6

)

17. Pełzanie materiału

- odkształcenie plastyczne pod wpływem stałego obciążenia
- istotne dla zakres 0,3-0,5Tt materiału
- wiele polimerów pełza w temperaturze otoczenia
- ważne w konstrukcjach eksploatowanych w wysokich temperaturach - turbiny,
reaktory jądrowe, aparatura przemysłu chemicznego

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 7/15

18. Rodzaje roztworów stałych

- roztwór substytucyjny (podstawieniowy)

- Ni rozpuszczony w Cu - atomy niklu zastępują miejsce miedzi

- roztwór stały ciągły - musi spełniad warunki Hume-Rothery’ego, wtedy 2 składniki
rozpuszczają się w sobie w nieograniczonych proporcjach:

- ten sam typ struktury

- różnica promienia atomowego <15%

- identyczna wartościowośd

- podobna elektroujemnośd

- międzywęzłowe roztwory stałe

- gdy średnica atomowa składnika rozpuszczonego jest dużo mniejsza od

średnicy składnika podstawowego

- energetycznie korzystniejsze

- np. żelazo z C, N, B, H, O

- obecnośd obcych atomów powoduje odkształcenie i zwiększenie naprężeo

Defekty struktury krystalicznej

19. Defekty punktowe struktury krystalicznej
20. Defekty liniowe struktury krystalicznej

- niedoskonałości w ułożeniu kryształów:

- punktowe

- nieobsadzone położenie atomowe
- atom rodzimy w położeniu międzywęzłowym
- rezultat drgao cieplnych
- stężenie rośnie wykładniczo z temperaturą
- defekt Schottky’ego - 2 wakancje o ładunkach przeciwnych
- defekt Frankla - wkancja i atom rodzimy w położeniu
międzywęzłowym

- liniowe

- dyslokacje, podstawowe znaczenie w odkształceniu plastycznym

- dyslokacje krawędziowe i śrubowe

- teoretyczna wytrzymałośd na naprężenia styczne

- ciągliwośd, łatwośd walcowania, kucia itp. jest wynikiem dyslokacji

- powierzchniowe

- dwuwymiarowe zaburzenie struktury krystalicznej na granicy ziaren

Odmiany alotropowe węgla

21. Odmiany alotropowe węgla

- α - ferryt - do 911°C; sied regularna przestrzennie centrowana (A2)
- γ - austenit - 911-1382°C; sied regularna ściennie centrowana
- δ - ferryt - 1382-1536°c; sied A2, lecz większe odległości międzyatomowe

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 8/15

- żelazo płynie >1536°C
- w niskiej temperaturze żelazo jest ferromagnetyczne, ze wzrostem właściwośd
zanika (w 768°C)

Wykresy fazowe

22. Reguła faz Gibbsa; faza; składnik układu

Faza - częśd układu oddzielona od reszty układu wyraźną granica, na której

przynajmniej pewne makroskopowe właściwości ulegają skokowej zmianie

Składniki układu - pierwiastki lub związki niezbędne do utworzenia wszystkich faz

występujących w danym układzie

Reguła faz Gibbsa - liczba stopni swobody - liczba zmiennych niezależnych w układzie,
których zmiana nie spowoduje zmiany liczby faz
s = n - f + 2
Zmienne - T,p,C
s - liczba stopni swobody
n - liczba składników
f - liczba faz
w przypadku układów skondensowanych p = const.
s = n - f + 1

czysty pierwiastek ma w Tt 0 stopni swobody - dwie fazy znajdują się w równowadze

<wykres fazowy wody>

23. Wykresy fazowe dla dwóch składników w stanie stałym; opis zmian zachodzących

podczas chłodzenia; reguła dźwigni; przemiany zachodzące w punkcie eutektycznym;
różnica między przemianą eutektyczną a eutektoidalną (24, 25, 26, 27, 28)

- proces dyfuzji w stanie stałym jest bardzo powolny, warunki zbliżone do
równowagowych osiąga się przy bardzo wolnym chłodzeniu

- reguła dźwigni pozwala na określenie
udziału poszczególnych faz w obszarze
dwufazowym - przykładowo:
masa stopu = 100g
ml + mα = 100g
bilans składnika B
0,7ml + 0,2mα = 0,40 · 100g
ml = 40g
mα = 60g

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 9/15

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 10/15

Rys.1 - wykres fazowy składników o nieograniczonej rozpuszczalności
Rys.2 - wykres fazowy składników o nierozpuszczających się wzajemnie
Rys.3 - wykres fazowy składników o ograniczonej rozpuszczalności

- Skład eutektyczny (E) - najniższa temperatura istnienia fazy ciekłej; współistnieją 3
fazy - 0 stopni swobody
- Mikrostruktura w stanie eutektycznym - cienko upakowane kryształy

28. Różnica między przemianą eutektyczną a eutektoidalną

- podczas przemiany eutektycznej z jednej fazy ciekłej powstają dwie fazy stałe,
podczas przemiany eutektoidalnej z jednej fazy stałej powstają dwie fazy ciekłe

Stal

29. Procesy zachodzące w wielkim piecu - wytwarzanie stali
30. Utlenianie węgla znajdującego się w surówce i odtlenianie stali

- surowce - rudy żelaza (magnetyt (Fe

3

O

4

), hematyt (Fe

2

O

3

))

1) Redukcja tlenków do metalicznego żelaza

- w piecu szybowym (wielki piec)

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 11/15

- za pomocą węgla
- potrzebny jest koks do redukcji i paliwo
- otrzymuje się surówkę (produkt bogaty w węgiel)
- do przeprowadzenia w stan ciekły tlenków o wysokiej Tt (Al

2

O

3

, SiO

2

) stosuje się

topnik (CaO) tworzący niskotopliwą eutektykę
- tlenki tworzą żużel zbierający się na dnie pieca
- w dolnej części pieca pod wpływem gorącego gazu zachodzą reakcje:
3Fe

2

O

3

+ CO = 2Fe

3

O

4

+ CO

2

Fe

3

O

4

+ CO = 3Fe + CO

2

FeO + CO = Fe + CO

2

FeO + C = Fe + CO
- nowoczesny piec - V=3600m3; wyd. 10 000ton surówki / dzieo; 450kg koksu / 1t
surówki; 10-15lat pracy bez remontu

2) Odtlenianie stali - utlenianie węgla w surówce

- w konwertorach
- wdmuchiwany tlen reaguje z C, P, S, Mn, Fe
- wydziela się dużo ciepła - dodaje się złom stalowy

3) Krzepnięcie stali

- zmniejszenie rozpuszczalności tlenu i wydziela się CO
- by zmniejszyd zawartośd CO dodaje się Mn, Si, Al.

4) Odlewanie stali

- w sposób ciągły lub do wlewnic

5) Obróbka plastyczna

- walcowanie, kucie

31. Składniki zwykłe, zanieczyszczenia i pierwiastki stopowe w stali

- stale - przerobione plastycznie stopy Fe z C i innymi pierwiastkami pochodzącymi z
surowców i paliw lub dodawanymi celowo

1) Składniki zwykłe - konieczne ze względów metalurgicznych

- usuwają tlen z procesu wytwarzania - Mn, Si, Al.

2) Zanieczyszczenia - usuwanie poniżej pewnych granic jest niemożliwe /

nieopłacalne ekonomicznie
a) Siarka - z koksu i rudy

- tworzy MnS, zarodkujący pęknięcia
- max 0,05%
- w stalach o dużej udarności max 0,02%
- mała ilośd Mn powoduje tworzenie FeS
- dodawana celowo do stali automatowych (do 0,35%)

b) Fosfor - z rudy

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 12/15

- gromadząc się na granicy ziaren ułatwia kruche pękanie

c) Tlen

- zmniejsza ciągliwośd i udarnośd

d) Azot - z powietrza w wytapianiu

- zmniejsza ciągliwośd i udarnośd

3) Pierwiastki stopowe - wprowadzane celowo (Mn, Si, Ni, Cr, Mo, W, V, Cr, B)

- rozpuszczają się w ferrycie
- tworzą węgliki i azotki
- tworzą formy międzymetaliczne lub fazy obce
- w stanie stałym Fe tworzy:

- roztwory międzywęzłowe z C, N, H, B, O

- roztwory substytucyjne z pozostałymi pierwiastkami

- cel dodawania:

- odpornośd na korozję, zużycie

- drobne ziarno

- węgiel:

- wpływa na mikrostrukturę i właściwośdi

- występuje w ferrycie i austenicie

- ze wzrostem zawartości rośnie:

- wytrzymałośd

- twardośd

- ze wzrostem zawartości maleje:

- ciągliwośd

- odpornośd na pękanie

- spawalnośd

- skrawalnośd

- podatnośd na odkształcenia plastyczne

33. Podział stali

- ze względu na skład chemiczny:

- niestopowe (węglowe)

- stopowe (posiadają celowo wprowadzone dodatki)

- ze względu na przeznaczenie:

- konstrukcyjne (odporne na korozję, raczej niestopowe)

- narzędziowe (duża odpornośd na ścieranie i twardośd, zaw. dużo węgla)

- o szczególnych właściwościach

34. Hartowanie, odpuszczanie, martenzyt

- martenzyt - przesycony roztwór węgla w Fe-α utworzony podczas przemiany z
austenitu
- hartowanie - zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali w celu utworzenia
austenitu z następnym szybkim utworzeniem martenzytu

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 13/15

- hartowalnośd - zdolnośd stali do tworzenia struktury martenzytowej podczas
hartowania
- odpuszczanie - nagrzewanie zahartowanej stali (o strukturze martenzytu) w celu
zwiększenia plastyczności; podczas nagrzewania znikają naprężenia i wydzielają się
węgliki

Ceramika

1. Czynniki wpływające na odpornośd chemiczną materiałów ceramicznych

- skład chemiczny
- skład minearologiczny
- porowatośd
- rodzaj budowy
- środowisko korozyjne

2. Podział ceramiki technicznej

- tradycyjna

- krzemianowa (porcelana twarda)

- surowce naturalne o uziarnieniu mikrometrowym

- „plastyczne” składniki surowcowe

- nowoczesna

- ceramika tlenkowa i beztlenkowa (tlenki, węgliki, azotki)

- syntetyczne mikroproszki o uziarnieniu submikrometrowym

- stosowanie dodatków organicznych

3. Składniki ceramiki klasycznej

- gliny - Al

2

O

3

+ SiO

2

+ H

2

O (np. kaolinit Al

4

[OH

8

Si

4

O

10

])

- krzemionka (SiO2)
- skalenie (np. ortoklaz K

2

O Al

2

O

3

6SiO

2

; albit Na

2

O Al

2

O

3

6SiO

2

)

4. Glinokrzemiany

5. Wypalanie gliny

1) Odparowanie wody z mikroszczelin masy (T~100C)
2) Rozkład składników mineralnych masy i uwolnienie związanej wody (T - 430-650)
3) Spalenie zanieczyszczeo organicznych oraz wydzielanie gazów (amtmosfera

utleniająca, T - 800-900)

4) Spiekanie oraz częściowe stapianie składników masy (T>900)
5) Zakooczenie procesu stapiania, po ochłodzeniu stopione składniki tworzą szkliwo

trwale wiążące masę (T - 1300-1400)

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 14/15

6. Dewitryfikaty

- szkła o budowie krystalicznej, cechujące się dużą odpornością na uderzanie i
ścieranie (wytrzymałośd na rozciąganie dwukrotnie większa od wytrzymałości szkieł o
budowie amorficznej).
- można je otrzymywad na dwa sposoby:

- dodając do szkła podczas procesu wytwarzania proszki srebra, złota,

magnezu, rozprowadzając je dokładnie, mieszając i napromieniowując promieniami
nadfioletowymi

- wywołując sztuczną krystalizację poprzez dodanie tlenku tytanu (ok. 10%

całej masy), następnie rozprowadzając równomiernie

Zadania rachunkowe

1. Walcowanie blahy - obliczyd wartośd odkształcenia

- h

0

= 10m; h

1

= 5mm; h

2

= 2mm

RP

1

= 0,5

RP

2

= 0,6

RP

s

= 0,8 (nie jest sumą poszczególnych etapów)

2. Rozciąganie drutu aluminiowego, odkształcenie sprężyste - obliczyd wydłużenie przy

danym module Younga

- d = 3mm; l

0

= 100m; F = 200N; E

Al

= 71GPa

- siła rozciągająca

- pole przkroju

- obliczyd długośd początkową dla danego %wydłużenia i l

k

3. Wytrzymałośd materiału - obliczyd naprężenia i odkształcenia nominalne i rzeczywiste

- d

0

= 10mm; F = 50000N; d

k

= 9,5mm (d - średnica)

S

0

l

0

= S

k

l

k

S

0

/S

k

= l

k

/l

0

Materiałoznawstwo

Michał Sowa

Strona 15/15

- naprężenie

- odkształcenie

4. Odkształcenie plastyczne (ε

p

)

- δ = 630MPa; ε = 0,5%; E

Fe

= 196MPa

ε = ε

s

+ ε

p

ε

s

= δ/E

ε

p

= ε - ε

s

5. Statyczna próba rozciągania - obliczyd wydłużenie ε

n

oraz przewężenie procentowe Z

- d

0

= 10mm; l

0

= 100mm; po próbie w miejscu największego zwężenia d

k

= 5,7mm;

l

k

= 148mm