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)