1

PODSTAWY NAUKI O

MATERIAŁACH

Wydział Inżynierii Mechanicznej i

Robotyki

Wykładowca: dr hab. inż. Stanisław Dymek, prof.

n. AGH

Budynek A2, pok. 15 parter

e-mail: [e-mail]

48 grup laboratoryjnych po ok. 15. studentów

każda =

ponad 700 studentów!!!

W jednym terminie 4 grupy =

60

studentów

2

WYKŁADY

•

Wstęp: znaczenie nauki o materiałach, klasyfikacja
materiałów, budowa materii, wiązania między atomami,
podstawowe własności materiałów – 3 h

•

Struktura krystaliczna materiałów, defekty struktury
krystalicznej, własności mechaniczne materiałów – 3 h

•

Mechanizmy umocnienia metali, mikrostruktura po
odkształceniu plastycznym, zdrowienie i rekrystalizacja –
3 h

•

Przemiany fazowe w stalach: kształtowanie
mikrostruktury i jej wpływ na własności mechaniczne – 6 h

•

Niszczenie materiałów – pękanie materiałów: zmęczenie,
pełzanie – 3 h

•

Metaliczne materiały konstrukcyjne: stopy żelaza i
wybranych metali nieżelaznych – 3 h

3

Technologia - Mikrostruktura -

Własności

Metoda

Wytwarzania

(przetwarzania)

Mikro-

-struktura

Własności

4

LABORATORIUM

• Odkształcenie i rekrystalizacja metali (3 h –

sala 609 B5

)

• Obróbka cieplna stali i badanie mikrostruktur

stali obrobionych cieplnie (3 h –

sala 17 A2

)

• Makroskopowa analiza mechanizmów

zniszczenia materiałów (2 h –

sala 57H A2

)

• Umocnienie wydzieleniowe stopów aluminium

(3 h

sala 9H, A2

)

• Badania mikroskopowe stali i żeliw –

podstawy metalografii (wyznaczanie wielkości
ziarna, obliczanie zawartości węgla w stali na
podstawie zawartości perlitu) (3 h –

sala 3,

A2

)

Podstawowe zasady BHP w

laboratorium ZMiMP

1. Wykonywanie czynności związanych z zajęciami tylko pod

opieką prowadzącego lub na jego polecenie.

2. Włączanie i wyłączanie wszelkich urządzeń tylko na

polecenie prowadzących.

3. Zachowanie szczególnej ostrożności przy piecach do

obróbki cieplnej (ćwiczenia "Obróbka cieplna", "Umocnienie
Wydzieleniowe" oraz "Zgniot i Rekrystalizacja").

4. Zachowanie szczególnej ostrożności przy kontakcie z

odczynnikami chemicznymi (ćwiczenie "Zgniot i
Rekrystalizacja")

5. Zakaz spożywania posiłków w pomieszczeniach

laboratorium.

6. Obowiązek zachowania ładu i porządku na stołach

laboratoryjnych.

7. Natychmiastowe informowanie prowadzącego o

zagrożeniach.

8. Natychmiastowe informowanie prowadzącego o

zaistniałych wypadkach.

9. Zakaz przechowywania ubrań wierzchnich w laboratorium.

Wykaz grup laboratoryjnych

Grupa

Termin

Prowadzący

1, 4

Piątek 10:30 – 12:45

mgr G. Cempura

, dr J. Kowalska, dr M.

Wróbel, dr A. Romański, dr J. Pieniążek

2, 3

Poniedziałek 11:00 –

13:15

mgr P. Matusiewicz

, dr M. Witkowska,

dr M. Wróbel, dr R. Dąbrowski, dr J.

Pieniążek

5, 6

środa 15:30 – 17:45

dr J. Kowalska,

dr M. Wróbel, dr S.

Gacek, dr T. Moskalewicz, mgr M. Pelczar

7, 8

środa 13:15 – 15:30

dr J. Kowalska, dr J. Pieniążek,

dr A. Kokosza, dr T. Moskalewicz,

dr M.

Witkowska

9, 10

wtorek 18:00 – 20:15

dr M. Wróbel,

mgr G. Cempura, dr T.

Pieczonka, mgr M. Madej, dr J. Kowalska

11, 12

środa 18:00 – 20:15

dr J. Kowalska,

mgr M. Pelczar,

dr S. Gacek, mgr M. Madej, dr R.

Dąbrowski

13, 14

czwartek 8:00 – 10:15

dr. S. Gacek,

dr A. Kokosza,

dr M. Wróbel, mgr G. Cempura, mgr P.

Matusiewicz

Osoba podkreślona jest kierownikiem ćwiczeń

Wykaz grup laboratoryjnych

Grupa

Termin

Prowadzący

15, 16

czwartek 16:30 –

18:45

dr A. Romański,

dr J. Pieniążek, mgr M.

Pelczar, mgr G. Cempura, dr R. Dąbrowski

21, 22

czwartek 14:00 –

16:15

dr A. Romański,

dr M. Wróbel,

dr J.

Pieniążek, dr R. Dąbrowski, mgr G.

Cempura,

23, 24

środa 8:00 – 10:15

dr M. Wróbel, dr J. Pieniążek,

dr A. Kokosza, mgr P. Matusiewicz,

dr R.

Dąbrowski,

29, 30

czwartek 10:30 –

12:45

dr. M. Witkowska,

dr J. Pieniążek,

mgr G.

Cempura, mgr M. Pelczar, dr M. Wróbel,

31, 32

Poniedziałek 8:00 –

10:15

dr M. Wróbel, dr A. Romański, dr J.

Pieniążek,

dr A. Kokosza,

dr J. Kowalska,

Osoba podkreślona jest kierownikiem ćwiczeń

Kierownicy ćwiczeń

8

Grupy

Kierownik

E-mail

1, 4

G. Cempura

[e-mail]

2, 3

P. Matusiewicz

[e-mail]

5, 6

J. Kowalska

[e-mail]

7, 8

M. Witkowska

[e-mail]

9, 10

M. Wróbel

[e-mail]

11, 12

M. Pelczar

[e-mail]

13, 14

S. Gacek

[e-mail]

15, 16

A. Romański

[e-mail]

21, 22

M. Wróbel

[e-mail]

23, 24

R. Dąbrowski

[e-mail]

29, 30

J. Pieniążek

[e-mail]

31, 32

A. Kokosza

[e-mail]

9

Podręczniki

• M. Blicharski

– Wstęp do inżynierii

materiałowej, wyd. WNT 2003

• M.F. Ashby, D.R.H. Jones

– Materiały

inżynierskie 1 i 2, wyd. WNT1995

10

Wiadomości wstępne

Czym zajmuje się

nauka o materiałach?

związek

pomiędzy

stukturą

(mikrostrukturą)

i

własnościami

Czym zajmuje się

inżynieria materiałowa?

Projektowanie

mikrostruktury

w celu uzyskania konkretnych

(przewidzianych)

własności

Główne zadanie:

wybór właściwego materiału spośród tysięcy

11

Nauka o materiałach - Wstęp

Usytuowanie nauki o
materiałach między
innymi dyscyplinami
nauki

12

Proces doboru materiału

Proces określa kształt, wielkość, dokładność wykonania i
oczywiście

koszt

wyrobu. Oddziaływanie jest w obu

kierunkach. Wybór kształtu ogranicza zakres materiałów i
procesów, natomiast wybór procesu ogranicza zakres
materiałów i kształtów.

Funkcja

wywiera

zasadniczy wpływ na dobór

materiału

i

kształtu

.

Dobór

procesu

jest zależny

od własności materiału, t.j.
od jego formowalności,
skrawalności,
spawalności,
obrabialności cieplnej itd.

13

Materiały inżynierskie

14

Materiały – rys historyczny

Materiały były i są
siłą napędową
rozwoju
społeczeństw:

Epoka Kamienia

Epoka Brązu

Epoka Żelaza

Co teraz?

Epoka Krzemu?
Epoka Polimerów?
Epoka
nanomateriałów?

15

Materiały – rys historyczny (c.d.)

16

Projektowanie inżynierskie c.d.

• pierwotne procesy

kształtowania,

np.

odlewanie, kucie,
obróbkę ubytkową
(skrawanie, wiercenie),

• procesy

wykończeniowe,

np.

polerowanie,

• procesy łączenia,

np.

spawanie.

Materiał i proces nie mogą być
dobierane niezależnie od doboru
kształtu

Między funkcją, materiałem,
procesem i kształtem
występują wzajemne
zależności

17

17

Rodzaje Procesów

18

18

Rodzaje Procesów

19

Koszt różnych grup materiałów

20

WŁAŚCIWOŚCI

• Mechaniczne
• Elektryczne
• Cieplne
• Magnetyczne
• Optyczne
• Odpornościowe

Własność

–

Wszystkie materiały poddane zewnętrznym

bodźcom reagują na określony bodziec, np.:
Siła odkształcenie, zniszczenie
Światło odbicie, absorbcja

Uwaga:

własności są niezależne od kształtu i

wymiarów

21

METALE

• Stosunkowo duża gęstość
• Sztywne
• Wytrzymałe (Mocne)
• Plastyczne (Ciągliwe), ale łatwe do

umacniania

• Odporne na pękanie
• Dobre przewodniki prądu i ciepła
• Nieprzeźroczyste dla światła
• Niektóre są magnetyczne
• Mało odporne na korozję

22

Inżynieria materiałowa - metale

charakterystyczne
elementy
mikrostruktury

skala wielkości

własności związane z
tymi elementami

23

CERAMIKI i SZKŁA

• Stosunkowo sztywne
• Wytrzymałe
• Bardzo twarde
• Niezwykle kruche
• Izolatory dla prądu i ciepła
• Odporne na wysoką temperaturę
• Mogą być przeźroczyste lub nie
• Odporne na korozję
• Odporne na ścieranie

Związki chemiczne
pomiędzy metalami i
niemetalami

24

POLIMERY

• Mała gęstość
• Mniejsza sztywność i wytrzymałość niż

metale

• Niektóre mogą być plastyczne
• Łatwo formowalne nawet na skomplikowne

kształty

• Odporne na działanie wielu chemikaliów
• Małe przewodnictwo elektryczne i cieplne
• Miękną i rozkładają się w podwyższonej

temperaturze

• Mogą być przeźroczyste
• Wyjątkowo mały współczynnik tarcia

Inżynieria materiałowa -

25

ceramiki i szkła

polimery

Ashby

26

PRZYKŁADY POLIMERÓW

• Polietylen (PE)
• Nylon
• Polichlorek winylu

(PCV)

• Poliwęglan (PC)
• Polistyren (PS|)
• Guma

27

OPAKOWANIA NA NAPOJE

ceramiczne (szkła)

polimerowe
(plastikowe)

metalowe (aluminiowe)

Wymagania materiałowe:

• stanowi przeszkodę dla dwutlenku

węgla, który jest pod ciśnieniem

• nie jest toksyczny i nie reaguje z

napojem

• powinien wytrzymać upadek z pewnej

niewielkij wysokości

• nie powinien być drogi i podatny na

nadawanie kształtów

• jeżeli jest przeźroczysty, to jego

przeźroczystość powinna być trwała

• możliwość produkcji w różnych

kolorach lub łatwość nakładania
etykiet

28

TYPOWE MATERIAŁY

Temperatura „pracy”

• 150

o

C - silniki chłodzone wodą

• 300

o

C - silniki chłodzone powietrzem

• 700

o

C - silniki odrzutowe wentylatorowe

• 1100

o

C - silniki turboodrzutowe

29

• lata trzydzieste XX w.

-

50

o

C

• II wojna światowa

-

100

o

C

• współczesny myśliwiec

-

500

o

C

• prom kosmiczny

-

1100

o

C

• prototyp samolotu

stratosferycznego

-

1600

o

C

Temperatura silnika

Temperatura kadłuba

Materiały w silniku samolotu

30

31

Zastosowanie różnych

materiałów we współczesnym

samochodzie

32

WŁASNOŚCI MECHANICZNE

• Wytrzymalość
• Sztywność
• Twardość
• Ciągliwość

(Plastyczność)

• Odporność na pękanie

i wiązkość

• Odporność na zużycie
• Odporność na

zmęczenie

• Odporność na

pełzanie

Istotne, gdy do materiału
przykłada się siłę

33

Przewodnictwo Elektryczne

Materiały ze względu na zdolność do przewodzenia
prądu dzieli się na:
przewodniki, półprzewodniki i izolatory
(dielektryki).

34

WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE

•

Opór elektryczny miedzi:

•

Dodatek atomów

“zanieczyszczeń”

do Cu – wzrost

oporności

•

Odkształcenie plastyczne – wzrost

oporności

Zależność oporności
elektrycznej od
temperaturey dla
stopów miedzi z
niklem, jeden ze
stopów był
odkształcony
plastycznie.
Wzrost temperatury,
zanieczyszczeń lub
odkształcenie zwiększa
oporność.

T (°C)

-200

-100

0

Cu +

3.3

2 at

%N

i

Cu +

2.1

6 at

%Ni

Odk

szta

łc. C

u +

1.1

2 at

%Ni

1

2

3

4

5

6

O

p

o

rn

o

ść

, 

(1

0

-8

O

h

m

-m

)

0

Cu +

1.1

2 at

%Ni

“Czy

sta”

Cu

35

WŁASNOŚCI CIEPLNE

Przewodnictwo cieplne Cu:
- zmniejsza się, gdy dodamy
Zn!

Zawartość Zn, % mas.

Pr

ze

w

o

d

n

ic

tw

o

ci

e

p

ln

e

(W

/m

-K

)

400

300

200

100

0

0

10

20

30

40

Pojemność cieplna (ciepło
właściwe)

lód

Przewodnictwo cieplne λ jest miarą szybkości
z jaką ciepło płynie przez materiał, gdy jego
jedna strona jest gorąca a druga zimna.
Zmienia się w przedziale pięciu rzędów
wielkości, co jest w ostrym kontraście do
przewodności elektrycznej -

zakres 25

rzędów wielkości

.

36

WŁASNOŚCI CIEPLNE

Płytka z promu kosmicznego: włókna
krzemowe,

niezwykle małe przewodnictwo

cieplne.

Kostka z włókien
krzemowych nagrzana do
1250°C, w kilka sekund
po wyjęciu z pieca może
być trzymana w gołych
rękach! Początkowo
przepływ ciepła jest
szybki, lecz
przewodnictwo cieplne
jest tak małe, że dopływ
ciepła z wnętrza jest
niezwykle wolny

.

WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE

37

∙

paramagnetyki,

∙ diamagnetyki
∙ ferromagnetyki,

Pole magnetyczne nie ma istotnego wpływu na
większość materiałów.

Pętla histerezy

38

WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE

Przenikalność
magnetyczna

vs.

Skład chemiczny

:

Dodatek 3% Si sprawia, że Fe
jest lepszym materiałem
magnetycznym!

Schemt zapisu i odczytu
informacji z użyciem nośnika
magnetycznego.

Zapis magnetyczny

:

Pole magnetyczne

M

a

g

n

e

ty

za

cj

a

Fe+3%Si

Fe

39

Tlenek aluminium może być
przeźroczysty, półprzeźroczysty
lub nieprzepuszczający światła.

monokryształ

polikryształ:
mała porowatoś

ć

polikryształ:

duża porowatość

WŁASNOŚCI OPTYCZNE

Własności optyczne materiałów
są rezultatem ich oddziaływania z
promieniowaniem w postaci fal
elektromagnetycznych - fotonów.

40

Wykresy Własności Materiałów

Wykres słupkowy modułu Younga. Ilustruje

różnice w sztywności pomiędzy rodzinami

materiałów

41

Wykresy Własności Materiałów

Wykres "obwiedniowy" modułu Younga i gęstości.

Rodziny materiałów zajmują określone powierzchnie

42

Wykresy własności materiałów

43

np: twardość od mikrostruktury stali

Własności

zależą od

mikrostruktury

Proces

może zmienić

mikrostrukturę

Struktura, Technologia &

Własności

Tw

a

rd

o

ść

(

B

H

N

)

Szybkość chłodzenia (ºC/s)

100

200

300

400

500

600

0.01 0.1

1

10 100 1000

(d)

30

m

(c)

4

m

(b)

30

m

(a)

30

m