Materiałoznawstwo –
wykład 1

Henryk Adrian

Polecane podręczniki



M. Blicharski – Wstęp do inżynierii
materiałowej



K. Przybyłowicz - Metaloznawstwo

Rodzaje materiałów
inżynierskich



Metale i ich stopy



Materiały ceramiczne i szkła



Polimery



Kompozyty

Metale i ich stopy



Spośród 103 pierwiastków – 80
metale



W praktyce inżynierskiej rzadko
wykorzystuje się czyste metale.
Szerokie zastosowanie znajdują ich
stopy.

Metale i ich stopy



Najbardziej popularne stopy to:



Żelaza – stale i żeliwa



Miedzi

- brązy i mosiądze



Aluminium – durale i siluminy



Niklu



Tytanu

Cechy metali i stopów



Duża sztywność



Ciągliwość (zdolność do odkształceń

trwałych)



Odporność na obciążenia dynamiczne



Dobre przewodnictwo cieplne



Dobre przewodnictwo elektryczne



Połysk metaliczny wypolerowanej

powierzchni

Cechy metali i stopów



Czyste metale mają niską wytrzymałość,
natomiast stopy mogą mieć bardzo wysoką
wytrzymałość. Wysoka wytrzymałość i
zadowalająca ciągliwość powoduje, że stopy
metali są szeroko stosowane do budowy
maszyn, urządzeń i konstrukcji przenoszących
znaczne obciążenia.



Wadą metali jest ich mała odporność
chemiczna i łatwość korozji

Materiały ceramiczne i
szkła



Tlenki lub związki chemiczne
metali z takimi pierwiastkami jak:
C, N, P i S



Podstawowe składniki materiałów
ceramicznych: Al

2

O

3,

SiO

2

, MgO, SiC

i Si

3

N

4

Materiały ceramiczne i szkła

podstawowe własności



Małe przewodnictwo cieplne i elektryczne



Mała ciągliwość i odporność na
obciążenia dynamiczne



Wytrzymałość i zdolność przenoszenia
obciążeń ściskających dość dobre



Duża odporność na korozję



Odporność na działanie wysokich
temperatur

Materiały ceramiczne i
szkła



Wysoka temperatura topnienia i
stabilność chemiczna powodują, że
materiały ceramiczne są dobrymi
materiałami ogniotrwałymi,
stosowanymi w budowie pieców

Materiały ceramiczne i
szkła



Wspólna cecha metali i ceramik w
skali atomowej to budowa
krystaliczna – regularne i
powtarzalne ułożenie atomów.
Niektóre materiały ceramiczne
mogą mieć strukturę
niekrystaliczną – materiały
amorficzne lub szkła

Materiały ceramiczne i
szkła



Dwuwymiarowy model budowy krzemionki



Krystalicznej



Niekrystalicznej

Materiały ceramiczne i
szkła



Najczęściej stosowane szkła
krzemianowe, np. okienne
(~72%SiO

2

oraz NaO i CaO).



Szkła są przezroczyste i odporne
chemicznie, dlatego są ważnymi
materiałami inżynierskimi

Polimery



Tworzywa sztuczne głównie związki
węgla i wodoru, mogą zawierać N,
F i S. Polimery zbudowane z
cząsteczek o długich łańcuchach,
utworzonych z merów. Liczba
merów w cząsteczce polimeru
zazwyczaj jest większa od 500.

Polimery - własności



Małe przewodnictwo cieplne i
elektryczne



Dość dobra odporność na korozję



Mała gęstość



Łatwość nadawania kształtów



Estetyczna wygląd i powierzchnia bez
dodatkowej obróbki wykańczającej

Polimery



Polimery termoplastyczne mają
wspaniałą ciągliwość,
formowalność i odporność na
obciążenia dynamiczne



Ciągliwość polimerów
termoutwardzalnych jest znacznie
gorsza

Wady polimerów



niska wytrzymałość mechaniczna



niska temperatura topnienia



ich własności zmieniają się szybko
z temperaturą w pobliżu
temperatury otoczenia



Niektóre polimery ciągliwe przy
20

o

C mogą być kruche przy 0

o

C.

Kompozyty



Składają się co najmniej z dwóch materiałów z
poprzednich trzech grup. Materiały składowe
mogą pochodzić z tej samej grupy lub różnych
grup.



Kompozyty wytwarzane przez człowieka



Przykład kompozytu wywarzanego: kompozyt z
włókien szklanych na osnowie polimeru



Kompozyty naturalne



Przykład kompozytu naturalnego: drewno

Kompozyty



Przez odpowiedni dobór materiałów
składowych można uzyskać kompozyty o
własnościach nieosiągalnych w
klasycznych grupach materiałów.



Produkowane obecnie kompozyty włókniste
należą do najbardziej zaawansowanych
materiałów inżynierskich. Są coraz szerzej
stosowane tam, gdzie liczą się tylko
własności a koszt jest mniej istotny

Zależności między procesem,

strukturą i własnościami



Dla zapewnienia odpowiednich
własności wyrobu wykorzystuje się
zależności pomiędzy procesem
wytwarzania, strukturą wewnętrzną i
własnościami materiału.



Zmieniając jeden z czynników –
zmieniamy dwa pozostałe. Dlatego
ważna jest znajomość zależności
pomiędzy nimi.

Własności



W warunkach obciążeń statycznych:



E



R

e



R

m



Odporność na pękanie



Twardość



Ciągliwość

Własności



W warunkach obciążeń dynamicznych



KV



Wytrzymałość na zmęczenie



Wytrzymałość na pełzanie

Proces-Struktura-
Własności

Własności



Własności określają zachowanie
materiału podczas eksploatacji
oraz zdolność do odkształceń
podczas nadawania kształtu.



Często małe zmiany struktury mają
duży wpływ na własności
mechaniczne materiału.

Struktura



Na poziomie atomowym – struktura
pojedynczego atomu lub grupy atomów

Struktura



Rozmieszczenie atomów w przestrzeni – atomy

ułożone w sposób regularny i powtarzalny – właściwy dla

stanu krystalicznego. Niektóre materiały ceramiczne i

większość polimerów nie mają uporządkowanego

ułożenia atomów



W materiałach krystalicznych istnieją defekty sieciowe

Struktura



Materiały krystaliczne zbudowane z ziarn
( najczęściej o średnicy 10-100m). Na tym poziomie

struktury, zwanej mikrostrukturą istotne są wielkość i
kształt ziarn. Można je kontrolować w procesie
wytwarzania

Struktura



Większość materiałów jest wielofazowa.
Kontrola przez zmianę składu
chemicznego, i procesu wytwarzania,
liczby faz, ich wielkości orza
rozmieszczenia pozwala uzyskać materiał
o żądanych własnościach

Proces



Z bezkształtnego materiału uzyskuje się
element o założonym kształcie i
własnościach. Często materiały po nadaniu
kształtu poddawane są obróbce cieplnej dla
wytworzenia odpowiedniej mikrostruktury

Typowe procesy wytwarzania
wyrobów



Metale



Odlewanie (do form piaskowych,
metalowych, odlewanie ciągłe metodą
wytapianych modeli)



Kształtowanie (obróbka plastyczna)



Łączenie (spawanie, lutowanie)



Obróbka skrawaniem



Metalurgia proszków

Typowe procesy wytwarzania
wyrobów



Ceramiki



Odlewanie (w odpowiednich
formach)



Zagęszczanie (wyciskanie,
prasowanie, formowanie izostatyczne)



Spiekanie (w wysokich
temperaturach)

Typowe procesy wytwarzania
wyrobów



Polimery



Formowanie (wtrysk, ściskanie w formach)



Kształtowanie (wyciskanie, kształtowanie
próżniowe)



Kompozyty



Odlewanie z infiltracją (ciecz otacza jedną z faz)



Kształtowanie (obróbka plastyczna)



Łączenie (adhezyjne, wybuchowe, dyfuzyjne)



Zagęszczanie i spiekanie

Oddziaływanie między strukturą,
własnościami i procesem
wytwarzania



Własności materiału są
warunkowane strukturą. Na
strukturę wpływają warunki
procesu.



Zmiany własności są realizowane w
procesie wytwarzania.



Struktura może ulegać zmianom
podczas eksploatacji