Technologia metali (1)

Mirosław Miller, Zakład Metalurgii Chemicznej,

W-3

Technologia metali

Świat bez metali ?

• Jakie właściwości decydują o roli

metali?

• Nowe, zaawansowane materiały
• Czy metale wypierane są przez nowe

materiały?

• Nowe postaci metali
• Ceny na rynkach światowych
• Najważniejsze metale

Technologia metali

Wykład

• Wspólnie z dr Tomaszem

Chmielewskim

• Informacja za pośrednictwem poczty

elektronicznej

• Dostęp do wykładów na portalu
• Zasady zaliczenia

Technologia metali

Metalurgia a technologia
metali

• Metalurgia metali

- pirometalurgia
- elektrometalurgia
- hydrometalurgia
- biometalurgia

• Technologia metali

- uzyskiwanie odpowiednich właściwości: skład chemiczny
(uszlachetnianie), właściwości mechaniczne, korozyjne,
powierzchniowe, przewodnictwo elektryczne i cieplne
- zastosowania praktyczne: odlewanie, walcowanie,
wytapianie,… wytwarzanie powłok, technologie proszkowe
(nanoproszki), spiekanie

Technologia metali

PROGRAM WYKŁADÓW (1)

1. Wprowadzenie: technologia metali jako dział materiałoznawstwa
2. Budowa i właściwości metali
3. Rola metali w historii cywilizacji (metalurgia starożytna)
4. Elementy metalurgii metali: równowagi fazowe
5. Technologia żeliwa i stali
6. Technologia stopów miedzi
7. Charakterystyka wybranych materiałów metalowych
8. Podstawowe metody badawcze materiałów metalicznych (XRD,

mikroskopia elektronowa, metody mikroanalizy Rtg)

9. Zależności między strukturą, właściwościami chemicznymi,

mechanicznymi i zastosowaniem

10.Metody poprawiania (uszlachetniania) właściwości

metali/stopów

Technologia metali

PROGRAM WYKŁADÓW (2)

11. Inne wybrane materiały stopowe:

- stopy lekkie

- stopy tytanowe

- superstopy

- metale wysokotemperaturowe (refractory)

12. Wybrane metody obróbki metali:

- odlewanie

- obróbka plastyczna

- specjalne właściwości (czystość, monokryształy)

13. Metalurgia proszkowa
14. Szkła metaliczne
15. Nanomateriały metaliczne: wytwarzanie, właściwości i

zastosowania

16. Kompozyty
17. Cienkie warstwy – zastosowania
18. Korozja: mechanizm i zapobieganie
19. Recykling metali

Technologia metali

WPROWADZENIE

MATERIAŁOZNAWSTWO:

dziedzina

nauki

stosowanej

obejmująca

badania

zależności między składem chemicznym, syntezą i

strukturą

materiałów

a

ich

właściwościami

i

zastosowaniem.

Materiały metalowe (czyste metale i ich stopy) = Metale
Materiały niemetalowe = Niemetale

Technologia metali

METALE

•Zwykle ciała stałe w t. pokojowej
•Świeżo odsłonięta powierzchnia

jest błyszcząca

•Zwykle plastyczne
•Dobrze przewodzą elektryczność

i ciepło

•Nieprzezroczyste
•Tworzą stopy

Stop – tworzywo składające się z

metalu stanowiącego osnowę, do

którego wprowadzono co najmniej

jeden pierwiastek (metal lub

niemetal) w celu zmiany jego

właściwości w żądanym kierunku.

NIEMETALE

•Ciała stałe, ciekłe i gazowe

w t. pokojowej

•Świeżo odsłonięta

powierzchnia ciała stałego

jest zwykle matowa

•Kruche
•Izolatory
•Przezroczyste i

nieprzezroczyste

•Tworzą związki chemiczne

PODZIAŁ MATERIAŁÓW

Technologia metali

BUDOWA MATERIAŁÓW

CHARAKTERYSTYKA

BUDOWY

1.

Wiązania miedzy atomami

2.

Układ atomów w przestrzeni

3.

Makrostruktura

4.

Mikrostruktura

Technologia metali

WIĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI

Siły oddziaływania między

atomami

Energia potencjalna pary

atomów

Technologia metali

WIĄZANIE JONOWE

Technologia metali

WIĄZANIE ATOMOWE

Technologia metali

rdzenie atomowe

elektrony

WIĄZANIE METALICZNE

Technologia metali

UKŁAD ATOMÓW W

PRZESTRZENI

Ciała krystaliczne

•Układ atomów/cząstek (a/cz) w

przestrzeni jest statystycznie

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.

Technologia metali

Elementy sieci
przestrzennej

Sieć przestrzenna utworzona przez translację: a) punktu, b)
prostej,
c) płaszczyzny

Technologia metali

Opis sieci przestrzennej

Układ współrzędnych
krystalograficznych

Komórka sieciowa

Technologia metali

Zmiana stanu skupienia: stały /
ciekły

Krzywe krzepnięcia: 1-3 materiały krystaliczne, 4 materiał amorficzny

Technologia metali

Krystalizacja: proces przejścia ciał
krystalicznych ze stanu

ciekłego w

stały

Etapy krystalizacji : A – zarodki krystalizacji, B – dendryty, C- ziarna

Technologia metali

Dendryty tworzące się podczas
kondensacji superstopu opartego na
Ni

Technologia metali

Dendryty i ziarna

Dendryt

Granica

ziaren

Kierune

k

wzrostu

Kierunek

wzrostu

Granica

ziarna

Kierunek

wzrostu

Kierunek

wzrostu

Technologia metali

Wady (defekty) struktury krystalicznej:

punktowe, liniowe, złożone

Liniowe: dyslokacje

Atom
międzywęzłowy

Wakansj

a

Złożone: granice ziaren

Technologia metali

Wpływ układu atomów w przestrzeni na
właściwości ciał stałych

Przykład 1

• W metalach elektrony walencyjne są swobodne –

tworzą gaz elektronowy. Przewodnictwo

elektryczne powinno więc zwiększać się przy

wzroście temperatury. Jest natomiast odwrotnie:

przewodnictwo maleje. To zjawisko tłumaczy

regularna budowa metali. Chmura elektronowa

porusza się falą, która łatwiej przechodzi przez

regularny układ atomów niż przez nieregularny.

Wzrost temperatury powoduje, że amplituda

drgań atomów jest większa. W konsekwencji,

budowa zostaje zaburzona, a przewodnictwo

maleje

Technologia metali

Przykład 2

• Przewodnictwo elektryczne czystego metalu silnie maleje,

gdy zawiera on nawet minimalne ilości zanieczyszczeń,

czyli obcych atomów. Obecność zanieczyszczeń zakłóca

regularność struktury, a zatem obniża przewodnictwo

Przykład 3

• Dzięki zwartej, krystalicznej budowie metali i obecności

wad w tej budowie możliwe jest łatwe przesuwanie się

warstw metalu względem siebie – metale są więc

plastyczne (łatwo ulegają odkształceniu plastycznemu)

Wpływ układu atomów w przestrzeni na
właściwości ciał stałych

Technologia metali

Scanning Tunneling

Microscope Image of Iron

in the (110) plane

Technologia metali

Makrostruktura (do ok.
1 m)

Technologia metali

Mikrostruktura (1-10
mm)

Technologia metali

Mikrostruktura (50 – 500
m)

Technologia metali

Nanostruktura (3 – 100
nm)

Technologia metali

Struktura atomowa (0.1 – 3
nm)

Technologia metali

Charakteryzacja

• XRD
• SEM/EDX/WDX
• TEM
• ICP
• FTIR
• UTM, etc

Technologia metali (2)

Metalurgia starożytna

Technologia metali

Technologia metali

Metalurgia starożytna

Zagadnienia

• „starożytne metale”: Au, Ag, Cu, Pb,

Hg, Fe oraz Sn, Zn (w stopach)

• Jak odkryto?

– Wymaganie długotrwałego grzania,

braku dostępu tlenu,
eksperymentowania

– najprawdopodobniej piece garncarskie…

Technologia metali

Metalurgia starożytna

Brązy i żelazo

• Brązy: stopy Cu i Sn
• Skąd wzięła się Sn?
• Jak odkryto stopy brązu?
• Żelazo: gorsze niż brązy ale tańsze!

• Rozwój technologii metalurgii w

starożytnych cywilizacjach

• Wpływ metalurgii na rozwój

starożytnych cywilizacji

Technologia metali

Metalurgia, Alchemia, Chemia

•

Technologia metali definiuje postęp wczesnej cywilizacji:

wczesna epoka kamienia → nowa epoka kamienia → epoka miedzi

Epoka paleolitu

Epoka neolitu

Cywilizacja

•

Epoka miedzi → epoka brązu → epoka żelaza → …

•

Sumerowie: Cu + Sn = brąz (pierwszy stop)

•

Egipcjanie: Au, Ag, asem (Au/Ag), Fe (z meteorytów?)

•

Austria (ca. 750 p.n.e.): Fe z wytopu piecowego

•

Grecy: asem, Pb

•

Starożytni nie uważali Hg za metal, ponieważ jest ciekły

bez wytapiania

Technologia metali

Epoka miedzi i brązu (3000 p.n.e.)

• Epoka neolitu charakteryzowała się

rozwojem rolnictwa, hodowlą
zwierząt domowych i osadnictwa

• Powstała potrzeba wytopu miedzi a

potem brązu

Technologia metali

Epoka żelaza

• 1200 p.n.e. w Europie
• 600 p.n.e. w Chinach

– Udoskonalone narzędzia i broń
– Ostatni „milowy krok” w rozwoju

cywilizacji przed wynalezieniem pisma

Technologia metali

Nowe technologie w
Mezopotamii

Technologia metali

Metalurgia w Mezopotamii

• Metalurgia ewoluowała z miedzi do brązu ok.

1000 p.n.e., Mezopotamia pracowała również nad
technologiami żelaza

• Bardzo ważny czynnik w rozwoju rolnictwa i broni

Technologia metali

Metale jako pierwsze prawdziwe
pierwiastki chemiczne

Ekstrakcja z rud poprzez wytop we wczesnych cywilizacjach
Siedem metali i planet znanych Starożytnym:

Metal

Planeta

Au

Słońce

Ag

Księżyc

Sn

Merkury

Cu

Wenus

Fe

Mars

Au/Ag (asem)

Jowisz

Pb

Saturn

Technologia metali

Skorygowane przyporządkowanie
metali do planet

Metal

Planeta

Au

Słońce

Ag

Księżyc

Hg

Merkury

Cu

Wenus

Fe

Mars

Sn

Jowisz

Pb

Saturn

Rtęć jako ciekła w temp. pokojowej nie była uważana za metal.

Później jako metal zastępuje asem i zostaje przyporządkowana

do Merkurego (ang. Nazwa Hg – mercury). Sn zostaje

przyporządkowana do Jowisza

Technologia metali

Mysticzne wierzenia: Alchemia

• Metale są ciągliwe/kowalne. Czy można je również

przekształcić jeden w drugi? Np. bezwartościowy Pb

w wartościowe Au?

• Początki alchemii: czernienie metalu w celu ukrycia

jego prawdziwego koloru; początkowo alchemię

nazywano „czarną sztuką”

• W dialekcie tajwańskim i koreańskim nazwa Au to

kim. Arabowie przetłumaczyli to na alchemia (złoto)

– stąd nazwa chemia.

• Newton uprawiał alchemię więcej niż astronomię,

matematykę i fizykę. Jego schorzenia neurologiczne

wywodziły się z zatrucia Hg (jedną z metod

nadawania połysku metalom takim jak Pb było

nacieranie ich Hg)