Inżynieria materiałowa
Inżynieria materiałowa
Prof. dr hab. Barbara Surowska
14:30 1
14:30
Literatura podstawowa
Literatura podstawowa
Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej,
WNT Warszawa 2001
Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT
Warszawa 2003
Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z
podstawami nauki o materiałach, WNT
Warszawa 2002
Prowans S.: Materiałoznawstwo, WNT
Warszawa 2000
Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii
materiałowej, opr. zb. pod red. Weroński A.,
Wyd. Uczelniane PL, Lublin 2000
14:302
14:30
Podział materiałów
Podział materiałów
14:30 3
14:30
Wprowadzenie
Wprowadzenie
14:304
14:30
Definicje  rodzaje wiązań
Definicje  rodzaje wiązań
WiÄ…zania pierwotne (silne):
jonowe  elektrony walencyjne atomu elektrododatniego

są przyłączane przez atom elektroujemny; np. NaCl,
ceramika; duża oporność elektryczna i cieplna, bardzo
mała odkształcalność
Cl- Na+
Cl- Na+
Cl-
Cl-
Na+ Cl-
Na+ Cl-
Na+
Na+
jon Na+ jon Cl-
atom Na atom Cl
Cl-
Cl- Na+ Cl-
Cl- Na+
kryształ NaCl
14:30 5
14:30
Definicje  rodzaje wiązań
Definicje  rodzaje wiązań
kowalencyjne (atomowe)  elektrony walencyjne
dwóch atomów tworzą pary; np. diament, Ge, Si,
SiO2, C w łańcuchach polimerów
pary elektronowe
pary elektronowe
(wiÄ…zanie atomowe)
(wiÄ…zanie atomowe)
atom Si
atom Si
109
109
wiÄ…zanie w przestrzeni
wiÄ…zanie w przestrzeni
 sieć A4 diamentu
 sieć A4 diamentu
14:30 6
14:30
Definicje  rodzaje wiązań
Definicje  rodzaje wiązań
metaliczne  elektrony walencyjne tworzÄ… gaz
elektronowy; np. Fe, Cu, Al; dobra
przewodność elektryczna
Wiązania wtórne (słabe):
Vander Waalsa  dipolowe przyciÄ…ganie
pomiędzy atomami obojętnymi elektrycznie;
np. w polimerach, ciekłym azocie
wodorowe  atom wodoru oddaje Å‚adunek
najbliższemu atomowi tlenu; np. cząsteczka
wody, łańcuchy polimerowe
14:30 7
14:30
Definicje
Definicje
Kryształy  ciała stałe, anizotropowe, w których atomy są
ułożone w okresowo powtarzających się odstępach w co
najmniej 3 nierównoległych kierunkach nie leżących w jednej
płaszczyz
nie
Kryształy jonowe  powstają w wyniku łączenia się
czÄ…steczek o wiÄ…zaniach jonowych, np. NaCl
Stan szklisty  bezpostaciowa struktura powstała w wyniku
krzepnięcia (zeszklenie) niektórych stopów metali, ceramiki,
tworzyw polimerowych
14:30 8
14:30
Krystalizacja
Krystalizacja
Jama skurczowa
Przebiega w 2 etapach:
Strefa
" zarodkowanie
kryształów
zamrożonych
" wzrost zarodków
Strefa
kryształów
kolumnowych
Strefa
równoosiowych
Materiał polikrystaliczny
dendrytów
Struktura wlewka
Dendryty-gdy podczas krzepnięcia
występuje spadek temperatury
równocześnie w kierunku fazy stałej i ciekłej
14:30 9
14:30
Zjawiska towarzyszące krzepnięciu i
Zjawiska towarzyszące krzepnięciu i
krystalizacji
krystalizacji
Stała temperatura krzepnięcia czystych
składników
Krzepnięcie stopów  przedział temperatury
Zjawiska uboczne krystalizacji:
skurcz  jama skurczowa
wydzielanie gazów (O2, N2, H2)  wytopy
uspokojone, półuspokojone, nieuspokojone
segregacja składu chemicznego 
grawitacyjna, makrosegregacja,
mikrosegregacja
14:3010
14:30
Otrzymywanie monokryształów
Otrzymywanie monokryształów
Krystalizacja zachodzi przez wzrost jednego zarodka
Krystalizacja zachodzi przez wzrost jednego zarodka
1[cm/h]
Metody:
stop
Bridgmana
kryształ
Czochralskiego
Stockbargera-Chalmersa
V-L-S (wiskery)
:
4. Wzrost:
Topienie strefowe
Topienie strefowe
14:30 11
14:30
Sieć krystaliczna  7 układów podstawowych
Układ regularny
Układ regularny
prymitywny (A0) rpc (A2)
prymitywny (A0) rpc (A2)
rsc (A1)
rsc (A1)
Układ heksagonalny
Układ heksagonalny
a=b=c`"d
Ä…=²=90° Å‚=120°
a=b=c Ä…=²=Å‚=90°
Układ tetragonalny
Układ tetragonalny Układ trójskośny
Układ rombowy Układ trójskośny
Układ rombowy
a=b`"c
a`"b`"c
Ä…=²=Å‚=90°
Ä…=²=Å‚=90°
a`"b`"c
UkÅ‚ad trygonalny (romboedryczny) UkÅ‚ad jednoskoÅ›ny Ä…`"²`"Å‚`"90°
Układ trygonalny (romboedryczny) Układ jednoskośny
a`"b`"c
a=b=c
Ä…=Å‚=90°`"²
Ä…=²=Å‚`"90°
14:30 12
14:30
Sieć krystaliczna  7 układów
podstawowych
Regularny
Tetragonalny
Rombowy
Heksagonalny
Trygonalny
Jednoskośny
Trójskośny
14:3013
14:30
Kryształy idealne i rzeczywiste
Kryształy idealne i rzeczywiste
Defekty sieci
Defekty sieci
liniowe
punktowe powierzchniowe
(dyslokacje)
błąd ułożenia
dyslokacja krawędziowa
A
A
dyslokacja śrubowa
B
A
A
granice ziaren
atom obcy
granice międzyfazowe
wakans atom w pozycji
ekstrapłaszczyzna
międzywęzłowej
14:30 14
14:30
Defekty sieci
Defekty sieci
Defekty punktowe w kryształach jonowych
defekt Frenkla
defekt Frenkla defekt Schottky ego domieszka
defekt Schottky ego domieszka
Dyslokacje (defekty liniowe)
Dyslokacja śrubowa
Dyslokacja śrubowa
Dyslokacja krawędziowa
Dyslokacja krawędziowa
14:30 15
14:30
Defekty powierzchniowe
Defekty powierzchniowe
Granice ziarn
Granica bliz
niacza Granice ziarn
Granica bliz
niacza
stal
stal
ceramika
skała wulkaniczna ceramika
skała wulkaniczna
14:30 16
14:30
Szkła metaliczne
Szkła metaliczne
Dla metali warunkiem zeszklenia jest chłodzenie z prędkością
rzędu 106K/s
Metody:
" Splat cooling  wystrzeliwania kropli cieczy na ochłodzoną
płytę miedzianą
" Chill-block-melt-spinning  lanie cieczy na wirujący chłodzony
walec (np.stopy Fe, Ni)
" Naparowanie na podÅ‚oże o temp. 80K w próżni (np. stop Ag-
Cu)
" Elektroosadzanie
Zastosowania: głowice magnetofonowe, wizyjne, cyfrowe,
elementy magnetycznie miękkie wzmacniaczy, cewek, ostrza
golarek, składniki opon, laminatów, pasów transmisyjnych
14:3017
14:30
Technologie
Technologie
Wytapianie
Rafinacja pozapiecowa
Odlewanie
Przetapianie
Metalurgia proszków
Inżynieria warstwy wierzchniej
14:3018
14:30
Metody wytapiania
Metody wytapiania
Proces martenowski  wytapianie stali z surówki i
złomu w piecu płomiennym w atmosferze powietrza
Proces konwertorowy  wdmuchiwanie gazu
utleniającego na powierzchnię ciekłej surówki lub jej
przedmuchiwanie
Proces elektryczny Å‚ukowy  wsad nagrzewany
łukiem elektrycznym utworzonym między elektrodami
lub między wsadem a elektrodami
Proces elektryczny indukcyjny  wytapianie w tyglu
nagrzewanym prÄ…dem indukcyjnym
Proces próżniowy indukcyjny  roztopienie wsadu
w próżni prądem przemiennym indukcyjnym
14:3019
14:30
Obróbka pozapiecowa (rafinacja)
Obróbka pozapiecowa (rafinacja)
14:3020
14:30
Odlewanie - rodzaje
z góry
syfonowe
ciągłe
21
Odlewanie z góry
22
Odlewanie syfonowe
23
Odlewanie ciągłe
wlewanie ciekłego stopu
ciągłym strumieniem poprzez
kadz
odlewniczą pośrednią do
krystalizatora, w którym
krzepnie warstwa zewnętrzna
wlewka, następnie wlewek
wyciÄ…gany jest za pomocÄ…
walców i krzepnie w strefie
chłodzenia wtórnego;
24
Odlewanie ciągłe
25
Przetapianie
Przetapianie
Cel: poprawa czystości i jednorodności poprzez dalszą
rafinacjÄ™ i kontrolowanÄ… krystalizacjÄ™
Elektrożużlowe  stapianie elektrody z
wytwarzanego materiału w ciekłym żużlu grzanym
prądem elektrycznym; stopiony metal ścieka do
miedzianego krystalizatora chłodzonego wodą
14:30 26
14:30
Przetapianie  c.d.
Przetapianie  c.d.
w łukowym piecu próżniowym  elektroda topiona
łukiem el. w próżni, krzepnięcie w krystalizatorze
miedzianym w próżni;
w próżniowym piecu elektronowym  roztapianie
elektrod w strumieniu elektronów w próżni rzędu
10-3 Pa, krzepnięcie w krystalizatorze chłodzonym
wodÄ…
14:30 27
14:30
Metalurgia proszków
Metalurgia proszków
W procesie wytwarzania wyrobów metodą metalurgii proszków
wyróżnia się następujące główne operacje:
wytwarzanie proszków metali lub mieszaniny proszków
różnych materiałów;
formowanie kształtek, np. przez prasowanie;
spiekanie kształtek;
obróbka wykańczająca spieków.
Formowanie kształtek polega na
zagęszczaniu proszku w zamkniętej
przestrzeni, otrzymujÄ…c wypraskÄ™,
odkuwkę lub walcówkę. Najczęściej
stosuje siÄ™ formowanie na zimno, rzadziej
na gorÄ…co.
14:30 28
14:30
Spiekanie
Spiekanie
Spiekanie to termicznie aktywowany proces
przenoszenia masy, w czasie którego luz
no zwiÄ…zane
cząstki proszku zostają scalone w lity materiał na
skutek zjawiska dyfuzji. Spiekanie przeprowadza siÄ™
w atmosferze wodoru, gazu obojętnego lub w
próżni.
14:30 29
14:30
Inżynieria powierzchni
Inżynieria powierzchni
Definicja warstwy wierzchniej:
Jest to warstwa materiału ograniczona rzeczywistą
powierzchniÄ… przedmiotu, obejmujÄ…ca tÄ… powierzchniÄ™ oraz
część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która
wykazuje zmienione cechy fizyczne, oraz niekiedy chemiczne, w
stosunku do cech tego materiału w głębi przedmiotu.
14:30 30
14:30
Właściwości mechaniczne warstwy
Właściwości mechaniczne warstwy
wierzchniej
wierzchniej
Podstawowe właściwości wwto:
twardość,
kruchość (plastyczność) - jako cecha odwrotna
do plastyczności, w odniesieniu do wwjest
zjawiskiem niepożądanym, ale często występuje
jako efekt uboczny
naprężenia własne - pochodzenia
mechanicznego, cieplnego lub strukturalnego
wytrzymałość zmęczeniowa - silnie uzależniona
od stanu ww
odporność na zużycie tribologiczne.
14:3031
14:30
Wytwarzanie w.w.
Wytwarzanie w.w.
Metody:
Obróbka mechaniczna
Obróbka cieplno-chemiczna
Obróbki jarzeniowe
Schemat metody PVD
PVD, CVD
Cienka warstwa połączona z podłożem adhezyjnie
Cienka warstwa połączona z podłożem adhezyjnie
14:30 32
14:30
Metoda CVD
Metoda CVD
Tworząca się cienka warstwa rzędu kilku źm jest
związana z podłożem chemicznie i dyfuzyjnie
14:30 33
14:30