1. Nowoczesne struktury
węglowe
Są to materiały powstałe na
bazie węgla.
Rodzaje:
-włókna węglowe
-włókna grafitowe
-fulereny
-kevlar
-grafen
-nanorurki węglowe
-powłoki DLC
Cechy:
-duża wytrzymałość na
rozciąganie
-duży moduł Younga
-mała gęstość
-kruchość
-mały wsp. tarcia
-dobra odporność cieplna
-biozgodność w środowisku
tkanek
Zastosowanie:
-w medycynie (np. nici
hirurgiczne)
-w przemyśle lotniczym (np.
włazy podwozia)
-w renowacji zabytków(np.
wzmacnianie murów)
-kajaki, ramy rowerów
- kevlar na kamizelki
kuloodporne
-grafen może zastąpić krzem np.
w układach scalonych
-grafit np. jako suche smary
2. Materiały dla energetyki i
lotnictwa
Żaroodporność-zdolność
materiału do przeciwstawiania
się korozji gazowej w
podwyższonej temperaturze
Żarowytrzymałość-odporność
materiału na obniżenie
wytrzymałości mechanicznej w
wysokiej temperaturze
Wytrzymałość na pełzanie-
naprężenia , które powodują
rozerwanie próbki w ciągu
określonego czasu w określonej
temperaturze
Krzywa pełzania:
Zakresy pełzania i towarzyszące
im zmiany mikrostruktury:
I-odkształcenie zmniejsza się
znacznie z upływem czasu.
Tworzenie się splotów
dyslokacji i struktury pod
ziarnowej
II-stała szybkość pełzania.
Gęstość dyslokacji i wielkość
podziaren nie zmieniają się
III-znaczny wzrost szybkości
odkształceń, tworzenie się
szyjki. Wzrost cząstek
umacniających
Wpływ wielkości ziarna na
wytrzymałość na pełzanie:
Przy stałej temperaturze i
naprężeniu szybkość pełzania
dyfuzyjnego maleje ze
wzrostem wielkości ziarna
Właściwości i zastosowanie
nadstopów niklu:
Właściwości:
żarowytrzymałość, odporność
na pełzanie w wysokich
temperaturach, odporność na
korozję , stabilna
mikrostruktura
Zastosowanie: turbiny
gazowe(energetyka), turbin w
silnikach samolotów,
wymienniki ciepła
3. Stopy z pamięcią kształtu
Stopy z pamięcią kształtu-
materiały inteligentne, w
których zachodzi odwracalna,
termosprężysta przemiana
martenzytyczna lub zmiana
orientacji krystalicznej
martenzytu pod wpływem
zewnętrznego pola
magnetycznego.
Zjawisko pamięci kształtu-
zjawisko indukowane przez
zmianę temperatur lub
przyłożenie zewnętrznego pola
magnetycznego.
Termosprężysta pamięć kształtu
polega na tym że po
odkształceniu przy
odpowiedniej temperaturze oraz
nagrzaniu do nowej wyższej
temperatury następuje powrót
odkształconego materiału do
pierwotnego kształtu.
Jednokierunkowy efekt
pamięci kształtu- materiał
odkształcony w fazie
martenzytu powraca po
nagrzaniu do kształtu nadanego
w fazie austenitu.
Dwukierunkowy efekt
pamięci kształtu- przejście od
kształtu nadanego w stanie
martenzytu do kształtu
nadanego przy istnieniu fazy
austenitu jest odwracalne oraz
odbywa się bez udziału
naprężeń.
Pseudosprężystość - to
zjawisko odkształcenia
materiału w wyniku przemiany
martenzytycznej indukowanej
naprężeniami.
a) m
ateria
ł o
strukt
urze
marte
nzytu
(nieo
dkszt
ałcon
y)
b) m
ateria
ł o
strukt
urze
marte
nzytu
(odks
ztałc
ony)
c) nagrzewanie
materiału; w
wyniku
przemiany
fazowej materiał
przyjmuje kształt
zapamiętany w
fazie austenitu
d)
chłodzenie
(brak zmian
kształtu).
a) materiał
o
strukturze
martenzyt
u
(nieodkszt
ałcony)
b) nadanie
i
zapamięta
nie
kształtu w
fazie
martenzyt
ycznej
c)
nagrzewa
nie
materiału;
w wyniku
przemiany
fazowej
materiał
przyjmuje
kształt
zapamięta
ny w fazie
austenitu.
d)
chłodzeni
e; w
wyniku
odwracaln
ej
przemiany
fazowej
materiał
zaczyna
przyjmow
ać kształt
zapamięta
ny w fazie
martenzyt
u.
Zastosowanie stopów z
pamięcią kształtu w
medycynie:
druty ortodontyczne, implanty
długo- i krótkookresowe,
implanty do rozszerzania np.
żył, urządzenia ortopedyczne
narzędzia chirurgiczne o
kształcie dostosowanym do
pacjenta w czasie operacji
Tytan techniczny i stopy tytanu:
Właściwości mechaniczne
biozgodność
duża wytrzymałość,
odporność na korozje
mała rozszerzalność cieplna
paramagnetyk,
mała przewodność elektryczna
mała gęstość
Właściwości fizyko-chemiczne
- Odporność na korozje(na
powierzchni tworzy się
pasywna warstwa tlenku tytanu)
- Odporność na działanie
rozcieńczonych kwasów,
większości kwasów
organicznych i zasad.
- Rozpuszczalny w stężonych
kwasach.
- Duża reaktywność tytanu z
tlenem (w wodzie i powietrzu
pokrywa się warstwą pasywna
tlenków TiO i TiO
2
).
Podział tytanu ze wzgl. Na
strukturę
Podział stopów tytanu w
stanie normalizowanym:
- stopy jednofazowe α
- stopy dwufazowe α+β
- stopy jednofazowe β.
Zastosowanie w medycynie
– różnego rodzaju
implanty.
4. Powłoki osadzone
technikami PCV i CVD
Metoda PVD – osadzanie
warstw z fazy gazowej z
udziałem reakcji fizycznych.
Metoda ta wykorzystuje
zjawiska odparowania metali
albo stopów lub rozpylanie
katodowe w próżni i jonizację
gazów.
•
Wady i zalety nakładanie
powłok PVD:
- zwiększenie trwałości
- ograniczenie szybkości
zużycia
- niski współczynnik
przewodności cieplnej
- ograniczenie procesów
utleniania i korozyjnych
- poprawa własności
trybologicznych
W przypadku narzędzi
powodują lepsze
odprowadzanie wióra, ochrona
przed utlenianiem.
Powłoki mogą występować w
postaci jednowarstwowe (z
jednego materiału) bądź
wielowarstwowej (z więcej niż
jednego materiału).
stopowe- wieloskładnikowe
VN, ZrN, HfN z C
•
wielofazowe TiN/Ti2N
•
kompozytowe: TiC/Al
2
O
3
•
wielowarstwowe: TiC/
TiN/ ZrN
•
gradientowe: TiN/
Ti(CN)/ TiC
Metoda CVD – polega na
osadzaniu materiału
powłokowego z fazy gazowej w
konsekwencji zachodzących w
nich reakcji chemicznych. Jest
to kontynuacja obróbki cieplno
chemcicznej. Tą metodą
najczęściej wytwarza się
twarde, odporne na ścieranie i
korozję powłoki węglików,
azotków oraz tlenków metali na
podłożach metali, ceramiki i
materiałach wysokotopliwych.
Stosuję się je do powlekania
narzędzi skrawających oraz
narzędzi do obróbki plastycznej
na zimno i na gorąco. Sprawdza
się we wszystkich przypadkach
gdzie proces nakładania
powłoki jest ostatnim zabiegiem
technologicznym.
Wady i zalety techniki CVD
- wysoka temperatura konieczna
do przebiegu reakcji
chemicznych znacznie
ogranicza zakres
stosowania metod CVD;
- konieczność utylizacji
agresywnych dla środowiska
naturalnego odpadów
poprodukcyjnych;
- duża wydajność
- wysoka jakość uzyskiwanych
powłok
- niski koszt i prosta obsługa
urządzenia do realizacji
procesu;
- obniżenie temp. procesu w
metodzie PACVD znacznie
zwiększyło zakres zastosowania
Właściwości powłok
wpływających na tarcie i
zużycie układów powłoka –
podłoże
1.Plastyczność i granica
plastyczności - odporność na
zużycie ścierne i nośność
powierzchni
2.Sprężystość powłoki i
podłoża
3.Wytrzymałość na rozciąganie
4.Wytrzymałość połączenia
powłoki i podłoża - naprężenia
styczne prowadzące do
delaminacji ( siła adhezji)
5.Wytrzymałość na ścinanie
warstewek istniejących na
powierzchni lub tworzonych w
procesie tarcia
6. Grubość powłoki (
mechanizm przenoszenia
obciążenia, adhezja do podłoża)
7. Chropowatość powierzchni
5. Charakterystyka materiałów
pracujących w podwyższonej
temperaturze głównie w węzłach
tarcia - rodzaje i gatunki
materiałów, właściwości,
zastosowanie:
Rodzaje i gatunki materiałów
– poliimidy, poliestroimidy,
polihydantoiny kondensacyjne,
poli-
benzenotetrakarboksydiimid,
Właściwości materiałów:
- podwyższona temperatura
topnienia, mięknienia i
termicznego rozkładu
- mniejszy ubytek masy
podczas ogrzewania w
podwyższonej temperaturze
- wyższa temperatura ugięcia
pod obciążeniem
- mniejsze zmiany właświsoći
(fizykochemiczne i
mechaniczne) podczas krótko
oraz
długotrwałych działań
podwyższonej temperatury
Zastosowanie: pary tarciowe
(zwłaszcza samosmarne węzły
kinematyczne)
- łożyska ślizgowe,
- koszyczki łożysk tocznych,
- koła zębate,
- kulki łożysk,
- pierścienie uszczelniające,
- materiały cierne w hamulcach
6. Polimerowe kompozyty
sensorowe:
Polimerowy kompozyt
sensorowy– kompozyt z
napełniaczami proszkowymi o
rozmiarze ziarna
2-10u,m. Osnowa: polimery np.
żywica poliestrowo-imidowa.
Napełniacze proszkowe:
nikiel, miedź, żelazo,
aluminium, grafit, cyna,
dwusiarczek molibdenu,
polimery elektroprzewodzące
np. poliacetylen
Mechanizm
przewodzenia prądu w
takich kompozytach
oparty jest głównie na
następujących
zjawiskach:
-perkolacji
-mechanizm tworzenia
kwantowych tuneli
między przewodzącymi
cząstkami
-termiczna aktywacja
przeskoków elektronów
przez poziomy
energetyczne w paśmie
zabronionym lepiszcza.
-emisja polowa (w
niektórych przypadkach)
Mechanizm działania takich
czujników opiera się na
rejestrowaniu zmiany napięcia
prądu przepływającego przez
kompozyt pozostający w
kontakcie ze specyficznym
czynnikiem zewnętrznym który
oddziałuje przez osnowę
kompozytu, powodując
powstawanie/ przerywanie
nowych ścieżek
elektroprzewodzących materiału
napełniacza ( zjawisko
perkolacji czyli formowania się
ciągłych ścieżek jednego
czynnika w środowisku innego),
co objawia się spadkiem/
wzrostem rezystancji
kompozytu.
Właściwości:
Kompozyty tego typu
umożliwiają nieinwazyjne
diagnozowanie węzłów
kinematycznych, zwłaszcza w
układach gdzie nie ma
możliwości użycia
standardowych czujników np.
ze względu na brak dostępu do
obiektu czy miniaturyzację
systemu. Spełniają one także
podwójna rolę: warstwy
ślizgowej i czujnika obciążeń
cieplnych oraz nacisku węzła
tarcia.
Materiały funkcjonalne to
materiały które wykazują
zdolność do zmiany swoich
właściwości lub kształtu pod
wpływem zewnętrznego
oddziaływania (ogrzewania ,
nacisku, pola elektrycznego lub
magnetycznego).
Materiały funkcjonalne:
-Stopy metali i tworzywa
sztuczne z pamięcią kształtu
-Materiały magnetostrykcyjne
-Ciecze elektro i
magnetoreologiczne
-Materiały rezystywne i
piezoelektryczne
Znajdują one zastosowanie w
układach zbierania informacji,
jej przetwarzania i kontroli i są
ważne dla rozwoju nowoczesnej
robotyki i mikroelektroniki.
Magnetostrykcyjne zjawisko
to powstawanie odkształceń w
ferromagnetykach pod
wpływem pola magnetycznego.
Zmiana rozmiarów pod
wpływem pola magnetycznego
może mieć charakter liniowy
lub objętościowy. Efekt
magnetostrykcji jest
wykorzystywany m. in. w
generatorach ultradźwięków.
Zjawisko odwrotne
wykorzystuje się w
precyzyjnych czujnikach
ciśnienia i naprężenie
Efekt piezoelektryczny to
zjawisko generowania
potencjału elektrycznego przez
elementy poddawane
mechanicznemu ściskaniu lub
rozciąganiu, lub na odwrót
zmiany wymiarów tych
elementów na skutek
przykładania do nich potencjału
elektrycznego. Zjawisko to jest
odwracalne. Wielkość
potencjału wytworzonego w ten
sposób jest wprost
proporcjonalna do wielkości
przyłożonej siły. Własności
piezoelektryczne wykazują
kryształy należące do 20
różnych klas symetrii.
Najczęściej jednak używane są
płytki wycięte z kryształów
kwarcu.
Efekt piezorezystancyjny –
zjawisko fizyczne polegające na
zmianie rezystancji elektrycznej
materiału pod wpływem
działającej siły mechanicznej.
Efekt piezo rezystywny różni
się od efektu
piezoelektrycznego tym, że
występuje jedynie zmiana
rezystancji, nie powstaje żadna
siła elektromotoryczna SEM.
Efekt piezorezystancyjny w
półprzewodnikach może być
nawet kilkakrotnie większy niż
w metalach
7. Ciecze magnetyczne
1.
Budowa cieczy
magnetycznych
Jest ona koloidalną zawiesiną
cząstek o bardzo małych
rozmiarach rzędu 10 nm
(nanometrów). Typowa ciecz
składa się z około 85% bazy
nośnej, 10%
surfaktantu, 5% cząstek
magnetycznych. Bazą nośną
może być olej mineralny,
syntetyczny, woda, oleje na
bazie sylikonu itp. Dobiera się
ją w zależności od
zastosowania. Jest to element
magnetycznie obojętny.
Surfaktant jest czynnikiem
powierzchniowo-aktywnym,
mającym za zadanie
zapobieganiu łączeniu się
cząstek magnetycznych. Cząstki
magnetyczne wykonane są z
materiałów magnetycznych.
Najczęściej stosowanym jest
magnetyt Fe3O4. Nie ulegają
sedymentacji pod wpływem
pola grawitacyjnego. Ruchy
Browna i ruchy termiczne
zapewniają jednolitą zawiesinę.
2.
Właściwości:
Ferrociecz utrzymywana jest
siłami pola magnetycznego.
Własność ta pozwala na
wykorzystanie jej w
uszczelnieniach, głośnikach,
słuchawkach akustycznych,
tłumikach drgań i wielu innych
zastosowaniach. Ciecz może
przybierać przestrzenne kształty
pola magnetycznego, które
przenika przez nią. Co może
pomagać w wizualizacji linii
magnetycznych przebiegających
przez badany obiekt lub
wykorzystywane w celach
artystycznych,
Ciecz magnetyczna zmienia
swoją lepkość w zależności od
zmiany natężenia pola
magnetycznego. Ze względu
jednak na niską wartość
magnetyzacji zakres
sterowalności jest ograniczony
w porównaniu do cieczy
magnetoreologicznych (ciecze o
większych cząstkach i ich
udziale objętościowym w
porównaniu do ferrocieczy)
Lepkość
Lepkość (inaczej tarcie
wewnętrzne) jest to cecha
płynów, przejawiająca się
pojawieniem siły lepkości
Dla wszystkich cieczy w ruchu,
cząstki pozostają między sobą
w ruchu względnym, procesowi
temu towarzyszy wewnętrzne
tarcie. Dla cieczy opór ten
można określić poprzez
parametr lepkości dynamicznej
η.
2
[
/
]
Pa s
N s m
- lepkość dynamiczna
2
[
/ ]
m
s
-lepkość
kinematyczna, ρ - gęstość
cieczy
8. CERAMIKA +
KOMPOZYTY
CERAMICZNE
Właściwości:
-odporność na działanie
wysokiej temperatury do 2000
K
-niska gęstość
-przewodnictwo cieplne
-wysoka odporność na ścieranie
-odporność na utlenianie
-duży opór elektryczny
-duża twardość i sztywność
-wysoka temperatura topnienia
-kruchość
-(wysoki moduł Younga)
-mała wytrzymałość na
rozciąganie
-mała wytrzymałość na nagłe
obciążenia
-mała odporność na zmiany
temperatury
-mała odporność na drgania
mechaniczne
Zastosowanie:
Materiały budowalne:
-Cegły
-Pustaki
-Beton
-Gips
-Płytki ceramiczne
Materiały hutnicze
Okładziny pieców
Materiały dla elektroniki:
Izolatory
Kondensatory
Magnesy ferrytowe
Elementy piezoelektryczne
Wyroby elektrotermiczne
Specjalistyczne
zastosowanie(głównie
kompozyty
ceramiczne):Gniazda
zaworów silników
spalinowych
-Elementy turbin gazowych
(stojany rotory)
-Narzędzia skrawające (płytki)
-Wojskowe - kamizelki,
pancerze czołgów
-Lotnicze - osłony radarów,
dysze rakiet
-Maszyny mielące - kule do
mielenia, wykładziny młynów
-Rolnictwo
-Wymienniki ciepła
-Dawniej w protezach i
endoprotezach
-Łożyska ceramiczne (kulki,
czasami bieżnie ceramiczne)
Współczynnik intensywności
naprężeń
Podstawowe
równanie mechaniki pękania
definiuje nam relację pomiędzy
wytrzymałością, a odpornością
na kruche pękanie według
zależności:
Ic
c
K
a
lub
równoważnej:
Ic
c
c
K
a
gdzie:
Kic - współczynnik
odporności na kruche
pękanie
c
- wytrzymałość
mechaniczna, tzn.
krytyczna wartość
naprężenia,
zapoczątkowująca
pękanie
katastroficzne
a
c
- krytyczna długość
pęknięcia
zapoczątkowującego
pękanie katastroficzne
(wada krytyczna).
Metody pomiaru:
•
Vickersa
•
Brinella
•
Rockwella
•
Irwina
•
H.C. Soo i I.M.
Daniela,
•
Metoda kaustyk
Kompozyty ziarniste
Kompozyty ziarniste - lub tez
kompozyty o osnowie
ceramicznej - to kompozyty o
kruchej osnowie ceramicznej
(Al203, SiC…), w której
rozprowadzone są ziarna
również kruchej, drugiej fazy
ceramicznej o wymiarach mikro
i nanometrów.
Charakteryzują się
podwyższoną wytrzymałością i
odpornością na kruche pękanie
w porównaniu z
jednofazowymi.
Na Rysunek 1 przedstawione są
typy możliwych mikrostruktur
kompozytów ziarnistych. W
zależności od uzyskanej
mikrostruktury poprawa
właściwości dotyczyć może
wszystkich wymienionych
wcześniej jego cech
mechanicznych lub tylko
niektórych z nich.
t
y
p
m
i
k
r
o
-
n
a
n
o
t
y
p
m
i
k
i
o
-
m
i
k
i
Zasadniczym powodem
wytwarzania kompozytów
ceramicznych jest zwiększenie
odporności na pękanie.
Ceramika wykazuje
wytrzymałość na ściskanie
prawie 15-krotnie większą niż
na rozciąganie. Dlatego też
umownym wskaźnikiem
wytrzymałości ceramiki jest
umowna wytrzymałość na
zginanie. Wprowadzenie
zbrojenia do osnowy
ceramicznej powoduje
umocnienie. Związane jest
ono z absorbowaniem energii
np. w wyniku zmiany kierunku
powiększenia się pęknięcia,
utraty powiązania zbrojenia z
osnową, pękania zbrojenia.
Wady podczas wytwarzania
Wytwarzając materiał
składający się z dwu- (lub
większej ilości) faz należy
liczyć się z faktem
wprowadzenia do niego,
podczas spiekania, naprężeń
resztkowych wynikających z
różnicy we współczynnikach
rozszerzalności cieplnej (a) faz
składowych. W czasie studzenia
po spiekaniu materiału
kompozytowego, różne jego
fazy składowe kurczą się w
różnych stopniu. Zachowanie
spójności materiału powoduje
powstawanie naprężeń, których
wartości sięgają czasami setek
MPa. Może to prowadzić nawet
do powstawania pęknięć w
kompozycie.
Badania właściwości
mechanicznych materiałów
ceramicznych
Vickers, Brinell, Rockwell – do
badania twardości
Badanie wytrzymałości na
zginanie - z reguły
trójpunktowe podparcie próbki
okrągłej, siła
przyłożona centralnie (w osi).
Badanie wytrzymałości na
ścieranie - próbka skojarzona z
innym materiałem lub też
materiałem ceramicznym - tutaj
prawie pełna dowolność, zależy
w jakim skojarzeniu interesuje
nas rezultat