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