dr inż. Hanna Smoleńska

MATERIAŁOZNAWSTWO
Wydział Mechaniczny, 
Mechatronika, sem. I

Charakterystyka ciał stałych

• Materia i jej składniki
• Główne grupy materiałów inżynierskich
• Dobór materiałów

Materia i jej składniki

Materia zbudowana jest z cząstek elementarnych, liczba których obecnie 

wynosi ponad czterysta.

Cząstki elementarne dzieli się na, różniące się masą, ładunkiem oraz liczbami 

kwantowymi:

•

Kwarki - są cząstkami elementarnymi istniejącymi wyłącznie w grupach po 
dwa (mezony) lub po trzy (bariony) i spajanymi przez oddziaływania silne 
przekazywane przez kwanty energii zwane gluonami, 

•

Leptony - mogą istnieć samodzielnie.  

Najbardziej znane cząstek materii to 

atomy

, składające się z:

•

Elektronów

o ładunku elektrycznym ujemnym (należących do leptonów),

•

Protonów

o  ładunku  elektrycznym  dodatnim  (składających  się z 

kwarków),

•

Neutronów

- elektrycznie  obojętnych  (także  składający  się z  trzech 

kwarków takich samych,   jak w elektronie, ale w innych proporcjach).

Elementy struktury ciała stałego:

Budowa atomu

Wiązania między atomami

Układ atomów w przestrzeni

Mikrostruktura, tj. elementy struktury o widoczne przy 

użyciu mikroskopu świetlnego

Makrostruktura, tj. tj. elementy struktury widoczne 

nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu urządzeń dających 
powiększenie do około 40 x

•Atomy  składają się z 

jądra

i  rozmieszczonych  wokół niego 

elektronów

.  Jądro  złożone  jest  z  protonów  i  neutronów, 

zwanych łącznie 

nukleonami

. 

•Liczba  protonów  w  jądrze  równa  jest  liczbie  elektronów  i 
określana jest jako 

liczba atomowa

.

•Elektrony  znajdujące  się na  ostatniej  powłoce  elektronowej 
noszą

nazwę

elektronów  walencyjnych  lub  elektronów 

wartościowości.

Uproszczony model budowy atomu sodu

Elektron walencyjny

Jądro 

BUDOWA ATOMU

•Pierwiastek 

chemiczny

stanowi 

zbiór 

atomów 

o 

jednakowych ładunkach jąder (

liczbie atomowej

). 

•Liczba  nukleonów  w  jądrze  definiowana  jest  jako 

liczba 

masowa

. 

•Odmiany  pierwiastków  chemicznych  różniących  się liczbą
masową nazywamy 

izotopami

.

•Pierwiastki chemiczne są mieszaniną izotopów, w związku 
z czym ich masa atomowa nie jest liczbą całkowitą. 

•Masa  atomowa

pierwiastka  chemicznego  określana  jest 

jako  stosunek 

ś

redniej  masy  atomu

danego  pierwiastka, 

obliczonej  z  uwzględnieniem  istnienia  izotopów,    do  masy 

1/12  atomu  izotopu  węgla

o  liczbie  masowej  równej  12. 

Liczba  izotopów  jest  niekiedy  znaczna,  przykładowo  uran 
posiada 5 izotopów, a mangan – 4.

•Pierwiastki  chemiczne  uporządkowane  wg 

wzrastającej  liczby  atomowej

tworzą

układ okresowy. 

•Układ  podzielony  jest  na  16 kolumn  pionowych,  zwanych  grupami oraz  7 
poziomych okresów. 

•Pierwiastki  chemiczne  należące  do  tej  samej  grupy  posiadają podobną strukturę
podpowłok na  ostatniej  powłoce,  co  decyduje  o  zbliżonych  własnościach  tych 
pierwiastków.

•Pierwiastki znajdujące się w prawej kolumnie, w grupie 0 to gazy 
szlachetne. Mają całkowicie zapełnione ostatnie powłoki elektronowe 
przez 8 elektronów, co powoduje ich obojętność chemiczną.

•Pierwiastki grupy I A to metale alkaliczne, zaś grupy II A – metale ziem 
alkalicznych. Ich atomy zawierają 1 lub 2 elektrony, które są oddawane w 
przypadku łączenia się z innymi pierwiastkami.

•Pierwiastki grup III B do VIII B oraz grup I B i II B okresów od 4 do 6 nazywane są
metalami przejściowymi.

•W okresie 6 znajdują się pierwiastki metali ziem rzadkich, zwane lantanowcami, w 
okresie 7 znajdują się aktynowce.

•Pierwiastki grup III A, IV A i V A mogą wchodząc w reakcje chemiczne zarówno 
przyłączać, jak i oddawać elektrony.

•Pierwiastki  grup  VI  A  i  VIIA,  zwane  niemetalami  (metaloidami),  należą do 
pierwiastków elektroujemnych, łatwo przyłączających elektrony.

B

1

2

3

4

5

6

7

Wiązania pomiędzy atomami

• Siły które utrzymują atomy razem – siły 

międzyatomowe (wiązania)

• Sposób ułożenia atomów w przestrzeni

Dwa czynniki wpływają na właściwości materiałów

Atomy utrzymywane są w określonych położeniach względem siebie 
pod działaniem sił przyciągania i odpychania.

Siły te są największe dla materii w stanie stałym.

Siły przyciągania są skutkiem wzajemnego oddziaływania 
zewnętrznych elektronów, a siły odpychania powstają między 
jednoimiennie naładowanymi jądrami (rdzeniami) atomów. 

Siły oddziaływania między atomami

Energia potencjalna pary atomów

Rodzaje wiązań pomiędzy atomami 

• Wiązania pierwotne 

(silne, rozrywają się, topią, w 

temperaturze 1000 – 5000K)

 Jonowe

 Kowalencyjne

 Metaliczne

• Wiązania wtórne 

(słabe, rozrywają się, topią, w 

temperaturze 100 – 500K)

 Van der Vaalsa

 wodorowe

W ceramikach i metalach atomy są utrzymywane jedynie przez 
wiązania pierwotne dlatego mają one wysokie własności 
mechaniczne

Wiązanie jonowe

występuje wtedy, gdy elektrony walencyjne 

jednego pierwiastka przyłączane są

do drugiego pierwiastka

, tworząc trwały układ oktetowy. 

Siły elektrostatycznego przyciągania występują między różnoimiennie   
naładowanymi jonami, a siły odpychania – między jądrami atomów.

Ponieważ siły kulombowskie
działają we wszystkich kierunkach 
jednakowo, oba jony mogą
zajmować względem siebie 
dowolne położenia. 

Wiązanie jest 

więc bezkierunkowe

. 

Materiały o wiązaniu jonowym 
słabo przewodzą prąd oraz nie są
podatne do odkształceń
plastycznych.

H

H

H

2

Takie wiązania występują w gazach, oraz w pewnych kryształach, jak krzem, 
german i diament, będący odmianą alotropową węgla o krystalicznej budowie.

•Wiązania kowalencyjne

- tworzone są przez pary elektronów 

pochodzące od obu atomów.
•Siły przyciągania powstają w wyniku utworzenia 

wspólnej pary elektronów

.

•Pomiędzy jądrami atomów występują siły odpychania.
•Pary elektronów należące jednocześnie do obu rdzeni tworzą

mocne 

wiązanie, dlatego ciała o wiązaniach atomowych mają

wysoką wytrzymałość i 

wysoką temperaturę topnienia. 

•Kierunek wiązania jest 

określony

w przestrzeni.

•Substancje o wiązaniu kowalencyjnym 

nie przewodzą prądu

.

Wiązanie metaliczne

•powstaje, gdy atomy zawierają niewiele elektronów walencyjnych, łatwo 
odrywających się, podczas gdy elektrony głębiej położone są silnie związane z 
jądrem atomu. 

•W wyniku oderwania elektronów walencyjnych atomy stają się jonami dodatnimi 
(rdzeniami atomowymi).

•

Elektrony walencyjne tworzą swobodnie krążący gaz o ujemnym ładunku 

elektrycznym

.

• Pomiędzy rdzeniami i gazem elektronów występują siły przyciągania, a pomiędzy 
rdzeniami – siły odpychania.

Nieustanne zrywanie i tworzenie 
wiązań w metalach zapewnia im 

zdolność do odkształcenia 
plastycznego.

Wysokie przewodnictwo 

elektryczne i cieplne

metali łączy 

się ze swobodą przepływu 
elektronów.

Jony metali

Gaz swobodnych elektronów

Wiązania wtórne

są wynikiem elektrostatycznego oddziaływania dipoli powstających przy 
asymetrycznym rozkładzie ładunków elektrycznych w prostych 
cząsteczkach chemicznych. 

Dipole mogą być trwałe (HF lub H

2

O) lub chwilowe (gazy szlachetne). 

Wiązania wtórne – Van der Vaalsa

powstające w wyniku oddziaływania elektrycznego między chwilowymi 
dipolami, tworzonymi przez atomy lub cząsteczki na skutek 
nierównomiernego rozkładu ładunków elektrycznych, np. cząsteczkami 
chlorowodoru HCl

+

_

+

_

Przypadkowy dipol 
pierwszego atomu

Indukowany dipol 
drugiego atomu

Wiązania wodorowe

Atom tlenu

Atom wodoru

Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej 
odległości wzajemnej, dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda

Każdy  atom  H  oddaje  swój  elektron  najbliższemu  atomowi  O. 
Dodatnio naładowany jon  H  działa  jak  wiązanie  mostkowe  pomiędzy 
sąsiednimi  jonami  tlenu,  częściowo  dzięki  temu,  że  przegrupowanie 
ładunku  powoduje  powstanie  momentu  dipolowego  w  każdej 
cząsteczce H

2

O (co powoduje przyciąganie innych dipoli H

2

O)

Podstawowe grupy materiałów 

inżynierskich

Materiały: ciała stałe o właściwościach 

umożliwiających ich stosowanie przez 

człowieka do wytwarzania produktów

Przykładowe kryteria klasyfikacji:

Skład chemiczny

Struktura

Zastosowanie

Proces wytwarzania

Klasyfikacja materiałów wg składu

METALE



Zwykle ciała stałe w 

temperaturze pokojowej



Ś

wieżo odsłonięta 

powierzchnia jest 
błyszcząca



Zwykle plastyczne



Dobrze przewodzą

elektryczność i ciepło



Nieprzezroczyste



Tworzą stopy

NIEMETALE



Ciała stałe, ciekłe i 

gazowe w temperaturze. 
pokojowej



Ś

wieżo odsłonięta 

powierzchnia jest zwykle 
matowa



Kruche



Izolatory



Przezroczyste i 

nieprzezroczyste



Tworzą związki 

chemiczne

CIAŁA KRYSTALICZNE



Układ atomów/cząstek (a/cz) 

w przestrzeni jest statystyczne 
uporządkowany, symetryczny.



Położenie a/cz wyznacza  się

przy pomocy metod 
rentgenowskich.



Położenie a/cz odwzorowuje 

model geometryczny – sieć
przestrzenna.

CIAŁA BEZPOSTACIOWE

(AMORFICZNE)



Układ atomów w 

przestrzeni jest 
nieuporządkowany, 
chaotyczny. 

Klasyfikacja materiałów wg struktury

Klasyfikacja materiałów wg zastosowania

MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE  - służące do budowy 
maszyn, konstrukcji i urządzeń

MATERIAŁY NARZĘDZIOWE - służące do wytwarzania 
narzędzi

MATERIAŁY FUNKCJONALNE  - przeznaczone do wyrobu 
przedmiotów o specjalnych właściwościach 
(biomedycznych, magnetycznych, elektrycznych).

Klasyfikacja materiałów wg wytwarzania

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

Nie występują w przyrodzie i 
wymagają zastosowania 
złożonych procesów 
wytwórczych w celu ich 
przystosowania do potrzeb 
technicznych:

1.Materiały metalowe

2.Polimery (tworzywa 
sztuczne)

3.Materiały ceramiczne

4.Materiały kompozytowe 
(kompozyty)

MATERIAŁY NATURALNE

Występują w przyrodzie i 
wymagają niewielkiej 
obróbki, związanej z 
wytworzeniem wyrobów

Podstawowe grupy materiałów 

inżynierskich

Charakterystyka metali

• Tworzywa metalowe charakteryzują się

wiązaniem metalicznym

• Stopy metali: układy wieloskładnikowe 

złożone z więcej niż jednego pierwiastka, 
o przewadze wiązania metalicznego

Właściwości metali i stopów

• Dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne
• Dodatni temperaturowy współczynnik 

rezystywności

• Połysk metaliczny
• Plastyczność

Procesy technologiczne metali i 

stopów

• Otrzymywanie z rud procesami metalurgii
• Otrzymywanie elementów metalowych: 

odlewnictwo, przeróbka plastyczna, 
obróbka skrawaniem, metalurgia proszków

• Kształtowanie właściwości: obróbka 

cieplna

• Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria 

powierzchni (warstwy wierzchniej)

Podstawowe stopy metali

• Stopy żelaza z węglem: stale, staliwa, 

ż

eliwa

• Metale nieżelazne i ich stopy

Charakterystyka ceramik

• Ceramiki: materiały nieorganiczne o 

jonowych i kowalencyjnych wiązaniach

• Wytwarzane zwykle w 

wysokotemperaturowych procesach 
nieodwracalnych

• Materiały ceramiczne: ceramika 

inżynierska, cermetale, ceramika 
porowata, szkła, ceramika szklana

Właściwości materiałów 

ceramicznych

• Bardzo wysoka wytrzymałość (ale tylko na 

ś

ciskanie!)

• Twardość
• Kruchość (plastyczność bliska zeru!)
• Niezdolność do poddawania obróbce 

cieplnej i plastycznej

Układy atomów w polimerach

Polimery są olbrzymimi, łańcuchowymi cząsteczkami, w których atomy 
są połączone  ze  sobą

wiązaniami  kowalencyjnymi. 

Taki  łańcuchowy 

szkielet  jest  zwykle  zbudowany  z  atomów  węgla  np.  polietylen. 
Otrzymuje się go dzięki katalitycznej polimeryzacji etylenu:

C =

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

itd.

Układy atomów w polimerach

Atomy wodoru

Atomy węgla

W  wielu  polimerach  łańcuchy  są
ułożone  przypadkowo,  a  nie  wg. 
regularnego 

trójwymiarowego 

wzoru  są zatem  niekrystaliczne 
czyli 

amorficzne

.

W innych polimerach łańcuchy mogą układać się
jedne  na  drugich  „w  tę i  z  powrotem”.  Taka 
powtarzalność

prowadzi 

do 

krystaliczności 

polimeru.

Charakterystyka polimerów

• Materiały organiczne złożone ze związków 

węgla

• Makrocząsteczki powstałe w wyniku 

połączenia monomerów

• Tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem 

barwników, pigmentów, katalizatorów, 
napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy

Właściwości polimerów

• Niska gęstość
• Właściwości izolacyjne
• Słabe odbicie światła
• Duża odporność chemiczna
• Ograniczona możliwość poddawania 

obróbce cieplnej i plastycznej

Dobór materiałów

Wygląd, powierzchnia, dotyk

Właściwości estetyczne

Łatwość wykonania, łączenia części, 
wykończenia

Właściwości produkcyjne

Tarcie, ścieralność i zużycie

Utlenianie i korozja

Właściwości powierzchni

Właściwości elektryczne

Właściwości magnetyczne

Właściwości optyczne

Niemechaniczne

właściwości objętościowe

Właściwości cieplne

Odporność na pełzanie

Wytrzymałość zmęczeniowa, odporność
na zmęczenie cieplne

Odporność na pękanie

Granica plastyczności, wytrzymałości na 
rozciąganie, twardość

Mechaniczne właściwości 

objętościowe

Współczynnik sprężystości i tłumienia

Gęstość

Cena i dostępność

Właściwości ekonomiczne

Własności materiału jako kryteria doboru

WŁASNOŚCI EKONOMICZNE

DOSTĘPNOŚĆ
• Ilość
• Lokalizacja
• Praco- i energochłonność pozyskiwania
• Próg opłacalności ekonomicznej

0,02

Węgiel

0,03

Siarka

Masa skorupy ziemskiej do głębokości 1 km 3·10

21

kg, 

oceanów 10

20

kg, atmosfery 5·10

18

kg

0,04

Stront

0,04

Bar

0,06

Fluor

0,1

Mangan

0,1

Fosfor

0,002

Węgiel

0,1

Wodór

0,007

Brom

0,4

Tytan

0,04

Potas

2

Magnez

0,04

Wapń

3

Potas

0,1

Siarka

3

Sód

0,1

Magnez

4

Wapń

0,04

Dwutlenek węgla

1

Sód

5

Ż

elazo

2

Argon

2

Chlor

8

Aluminium

19

Tlen

10

Wodór

27

Krzem

79

Azot

85

Tlen

47

Tlen

Atmosfera

Pierwiastek

Ocean
y

Pierwiastek

Skorupa ziemska

Pierwiastek

Czy wszystkie te bogactwa są dostępne?

Występowanie pierwiastków

Schemat McElveya

Złoża

dostępne

Złoża

perspektywiczne

Całość złóż

Ulepszona 
technologia 
wydobycia

Złoża zidentyfikowane

Złoża niezidentyfikowane

Malejąca 
opłacalność

Rosnąca niepewność geologiczna

Opłacalne

Próg 
opłacalności 
wydobycia

Nieopłacalne

Zużycie materiałów

r – przyrost procentowy w roku

C

0

– szybkość zużycia dla t=t

0

C

 [

 t

o

n

a/

ro

k

]

Czas t [ lata]

C

0

t

0

t

0

100

C

r

dt

dC

=

Pole = zużycie 
pomiędzy t

0

i t

100

)

(

exp

0

0

t

t

r

C

C

−

=

Czas podwojenia zużycia t

D

otrzymamy przyjmując C/C

0

=2

r

r

t

D

70

2

ln

100

≈

=

Dla stali r = 3,4%  to t

D

~20 lat

Dla aluminium r = 8%  to t

D

~9 lat

Dla polimerów r = 18%  to t

D

~4 lat

Okres połowicznego wyczerpania 

zasobów

• Gaz ziemny i ropa naftowa – 25 lat
• Srebro, cyna, wolfram, cynk, ołów, rtęć -

50÷80 lat

• Aluminium, żelazo, krzemiany – kilkaset lat

Energochłonność materiałów

Koszt energii w 1980  4,4 $/GJ

29

Węgiel

44

Ropa naftowa

0,1

Ż

wir

2

Drewno

4

Cegła

8

Cement

20

Szkło

50

Stal

70

Cynk

100 ze wzrostem do 500

Miedź

100

Tworzywa sztuczne

300

Aluminium

Energia GJ/t

Materiał