MATERIAA
OZNAWSTWO
Wydział Mechaniczny,
Mechatronika, sem. I
dr inż. Hanna Smoleńska
Charakterystyka ciał stałych
" Materia i jej składniki
" Główne grupy materiałów inżynierskich
" Dobór materiałów
Materia i jej składniki
Materia zbudowana jest z cząstek elementarnych, liczba których obecnie
wynosi ponad czterysta.
Cząstki elementarne dzieli się na, różniące się masą, ładunkiem oraz liczbami
kwantowymi:
" Kwarki - są cząstkami elementarnymi istniejącymi wyłącznie w grupach po
dwa (mezony) lub po trzy (bariony) i spajanymi przez oddziaływania silne
przekazywane przez kwanty energii zwane gluonami,
" Leptony - mogą istnieć samodzielnie.
Najbardziej znane cząstek materii to atomy, składające się z:
" Elektronów o ładunku elektrycznym ujemnym (należących do leptonów),
" Protonów o ładunku elektrycznym dodatnim (składających się z
kwarków),
" Neutronów - elektrycznie obojętnych (także składający się z trzech
kwarków takich samych, jak w elektronie, ale w innych proporcjach).
Elementy struktury ciała stałego:
Budowa atomu
Wiązania między atomami
Układ atomów w przestrzeni
Mikrostruktura, tj. elementy struktury o widoczne przy
użyciu mikroskopu świetlnego
Makrostruktura, tj. tj. elementy struktury widoczne
nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu urządzeń dających
powiększenie do około 40 x
BUDOWA ATOMU
" Atomy składają się z jądra i rozmieszczonych wokół niego
elektronów. Jądro złożone jest z protonów i neutronów,
zwanych Å‚Ä…cznie nukleonami.
" Liczba protonów w jądrze równa jest liczbie elektronów i
określana jest jako liczba atomowa.
" Elektrony znajdujące się na ostatniej powłoce elektronowej
noszą nazwę elektronów walencyjnych lub elektronów
wartościowości.
Uproszczony model budowy atomu sodu
Elektron walencyjny
JÄ…dro
" Pierwiastek chemiczny stanowi zbiór atomów o
jednakowych Å‚adunkach jÄ…der (liczbie atomowej).
" Liczba nukleonów w jądrze definiowana jest jako liczba
masowa.
" Odmiany pierwiastków chemicznych różniących się liczbą
masowÄ… nazywamy izotopami.
" Pierwiastki chemiczne są mieszaniną izotopów, w związku
z czym ich masa atomowa nie jest liczbą całkowitą.
" Masa atomowa pierwiastka chemicznego określana jest
jako stosunek średniej masy atomu danego pierwiastka,
obliczonej z uwzględnieniem istnienia izotopów, do masy
1/12 atomu izotopu węgla o liczbie masowej równej 12.
Liczba izotopów jest niekiedy znaczna, przykładowo uran
posiada 5 izotopów, a mangan  4.
" Pierwiastki chemiczne uporzÄ…dkowane wg wzrastajÄ…cej liczby atomowej tworzÄ…
układ okresowy.
" Układ podzielony jest na 16 kolumn pionowych, zwanych grupami oraz 7
poziomych okresów.
" Pierwiastki chemiczne należące do tej samej grupy posiadają podobną strukturę
podpowłok na ostatniej powłoce, co decyduje o zbliżonych własnościach tych
pierwiastków.
" Pierwiastki znajdujÄ…ce siÄ™ w prawej kolumnie, w grupie 0 to gazy
szlachetne. Mają całkowicie zapełnione ostatnie powłoki elektronowe
przez 8 elektronów, co powoduje ich obojętność chemiczną.
" Pierwiastki grupy I A to metale alkaliczne, zaÅ› grupy II A  metale ziem
alkalicznych. Ich atomy zawierają 1 lub 2 elektrony, które są oddawane w
przypadku Å‚Ä…czenia siÄ™ z innymi pierwiastkami.
1
2
B
3
4
5
6
7
" Pierwiastki grup III B do VIII B oraz grup I B i II B okresów od 4 do 6 nazywane są
metalami przejściowymi.
" W okresie 6 znajdujÄ… siÄ™ pierwiastki metali ziem rzadkich, zwane lantanowcami, w
okresie 7 znajdujÄ… siÄ™ aktynowce.
" Pierwiastki grup III A, IV A i V A mogą wchodząc w reakcje chemiczne zarówno
przyłączać, jak i oddawać elektrony.
" Pierwiastki grup VI A i VIIA, zwane niemetalami (metaloidami), należą do
pierwiastków elektroujemnych, łatwo przyłączających elektrony.
Wiązania pomiędzy atomami
Dwa czynniki wpływają na właściwości materiałów
" Siły które utrzymują atomy razem  siły
międzyatomowe (wiązania)
" Sposób ułożenia atomów w przestrzeni
 Atomy utrzymywane są w określonych położeniach względem siebie
pod działaniem sił przyciągania i odpychania.
Siły te są największe dla materii w stanie stałym.
Siły przyciągania są skutkiem wzajemnego oddziaływania
zewnętrznych elektronów, a siły odpychania powstają między
jednoimiennie naładowanymi jądrami (rdzeniami) atomów.
Siły oddziaływania między atomami Energia potencjalna pary atomów
Rodzaje wiązań pomiędzy atomami
" WiÄ…zania pierwotne (silne, rozrywajÄ… siÄ™, topiÄ…, w
temperaturze 1000  5000K)
Jonowe
Kowalencyjne
Metaliczne
" Wiązania wtórne (słabe, rozrywają się, topią, w
temperaturze 100  500K)
Van der Vaalsa
wodorowe
W ceramikach i metalach atomy sÄ… utrzymywane jedynie przez
wiązania pierwotne dlatego mają one wysokie własności
mechaniczne
WiÄ…zanie jonowe
występuje wtedy, gdy elektrony walencyjne jednego pierwiastka przyłączane są
do drugiego pierwiastka, tworząc trwały układ oktetowy.
Siły elektrostatycznego przyciągania występują między różnoimiennie
naładowanymi jonami, a siły odpychania  między jądrami atomów.
Ponieważ siły kulombowskie
działają we wszystkich kierunkach
jednakowo, oba jony mogÄ…
zajmować względem siebie
dowolne położenia. Wiązanie jest
więc bezkierunkowe.
Materiały o wiązaniu jonowym
słabo przewodzą prąd oraz nie są
podatne do odkształceń
plastycznych.
" Wiązania kowalencyjne - tworzone są przez pary elektronów
pochodzące od obu atomów.
" Siły przyciągania powstają w wyniku utworzenia wspólnej pary elektronów.
" Pomiędzy jądrami atomów występują siły odpychania.
" Pary elektronów należące jednocześnie do obu rdzeni tworzą mocne
wiązanie, dlatego ciała o wiązaniach atomowych mają wysoką wytrzymałość i
wysokÄ… temperaturÄ™ topnienia.
" Kierunek wiązania jest określony w przestrzeni.
" Substancje o wiÄ…zaniu kowalencyjnym nie przewodzÄ… prÄ…du.
H
H H2
Takie wiązania występują w gazach, oraz w pewnych kryształach, jak krzem,
german i diament, będący odmianą alotropową węgla o krystalicznej budowie.
WiÄ…zanie metaliczne
" powstaje, gdy atomy zawierają niewiele elektronów walencyjnych, łatwo
odrywających się, podczas gdy elektrony głębiej położone są silnie związane z
jÄ…drem atomu.
" W wyniku oderwania elektronów walencyjnych atomy stają się jonami dodatnimi
(rdzeniami atomowymi).
" Elektrony walencyjne tworzą swobodnie krążący gaz o ujemnym ładunku
elektrycznym.
" Pomiędzy rdzeniami i gazem elektronów występują siły przyciągania, a pomiędzy
rdzeniami  siły odpychania.
Jony metali
Nieustanne zrywanie i tworzenie
wiązań w metalach zapewnia im
zdolność do odkształcenia
plastycznego.
Wysokie przewodnictwo
elektryczne i cieplne metali Å‚Ä…czy
się ze swobodą przepływu
elektronów.
Gaz swobodnych elektronów
Wiązania wtórne
są wynikiem elektrostatycznego oddziaływania dipoli powstających przy
asymetrycznym rozkładzie ładunków elektrycznych w prostych
czÄ…steczkach chemicznych.
Dipole mogą być trwałe (HF lub H2O) lub chwilowe (gazy szlachetne).
Wiązania wtórne  Van der Vaalsa
powstające w wyniku oddziaływania elektrycznego między chwilowymi
dipolami, tworzonymi przez atomy lub czÄ…steczki na skutek
nierównomiernego rozkładu ładunków elektrycznych, np. cząsteczkami
chlorowodoru HCl
_
+
Przypadkowy dipol Indukowany dipol
pierwszego atomu drugiego atomu
+
_
WiÄ…zania wodorowe
Atom tlenu
Atom wodoru
Każdy atom H oddaje swój elektron najbliższemu atomowi O.
Dodatnio naładowany jon H działa jak wiązanie mostkowe pomiędzy
sąsiednimi jonami tlenu, częściowo dzięki temu, że przegrupowanie
ładunku powoduje powstanie momentu dipolowego w każdej
czÄ…steczce H2O (co powoduje przyciÄ…ganie innych dipoli H2O)
Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej
odległości wzajemnej, dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda
Podstawowe grupy materiałów
inżynierskich
Materiały: ciała stałe o właściwościach
umożliwiających ich stosowanie przez
człowieka do wytwarzania produktów
Przykładowe kryteria klasyfikacji:
Skład chemiczny
Struktura
Zastosowanie
Proces wytwarzania
Klasyfikacja materiałów wg składu
METALE NIEMETALE
Zwykle ciała stałe w Ciała stałe, ciekłe i
temperaturze pokojowej gazowe w temperaturze.
pokojowej
Świeżo odsłonięta
powierzchnia jest
Świeżo odsłonięta
błyszcząca powierzchnia jest zwykle
matowa
Zwykle plastyczne
Kruche
Dobrze przewodzÄ…
elektryczność i ciepło
Izolatory
Nieprzezroczyste Przezroczyste i
nieprzezroczyste
TworzÄ… stopy
TworzÄ… zwiÄ…zki
chemiczne
Klasyfikacja materiałów wg struktury
CIAA
A KRYSTALICZNE
CIAA
A BEZPOSTACIOWE
(AMORFICZNE)
Układ atomów/cząstek (a/cz)
w przestrzeni jest statystyczne
Układ atomów w
uporzÄ…dkowany, symetryczny.
przestrzeni jest
Położenie a/cz wyznacza się
nieuporzÄ…dkowany,
przy pomocy metod
chaotyczny.
rentgenowskich.
Położenie a/cz odwzorowuje
model geometryczny  sieć
przestrzenna.
Klasyfikacja materiałów wg zastosowania
MATERIAA
Y KONSTRUKCYJNE - służące do budowy
maszyn, konstrukcji i urządzeń
MATERIAA
Y NARZ
DZIOWE - służące do wytwarzania
narzędzi
MATERIAA
Y FUNKCJONALNE - przeznaczone do wyrobu
przedmiotów o specjalnych właściwościach
(biomedycznych, magnetycznych, elektrycznych).
Klasyfikacja materiałów wg wytwarzania
MATERIAA
Y INŻYNIERSKIE
MATERIAA
Y NATURALNE
Nie występują w przyrodzie i
Występują w przyrodzie i
wymagajÄ… zastosowania
wymagajÄ… niewielkiej
złożonych procesów
obróbki, związanej z
wytwórczych w celu ich
wytworzeniem wyrobów
przystosowania do potrzeb
technicznych:
1.Materiały metalowe
2.Polimery (tworzywa
sztuczne)
3.Materiały ceramiczne
4.Materiały kompozytowe
(kompozyty)
Podstawowe grupy materiałów
inżynierskich
Charakterystyka metali
" Tworzywa metalowe charakteryzujÄ… siÄ™
wiÄ…zaniem metalicznym
" Stopy metali: układy wieloskładnikowe
złożone z więcej niż jednego pierwiastka,
o przewadze wiÄ…zania metalicznego
Właściwości metali i stopów
" Dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne
" Dodatni temperaturowy współczynnik
rezystywności
" Połysk metaliczny
" Plastyczność
Procesy technologiczne metali i
stopów
" Otrzymywanie z rud procesami metalurgii
" Otrzymywanie elementów metalowych:
odlewnictwo, przeróbka plastyczna,
obróbka skrawaniem, metalurgia proszków
" Kształtowanie właściwości: obróbka
cieplna
" Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria
powierzchni (warstwy wierzchniej)
Podstawowe stopy metali
" Stopy żelaza z węglem: stale, staliwa,
żeliwa
" Metale nieżelazne i ich stopy
Charakterystyka ceramik
" Ceramiki: materiały nieorganiczne o
jonowych i kowalencyjnych wiÄ…zaniach
" Wytwarzane zwykle w
wysokotemperaturowych procesach
nieodwracalnych
" Materiały ceramiczne: ceramika
inżynierska, cermetale, ceramika
porowata, szkła, ceramika szklana
Właściwości materiałów
ceramicznych
" Bardzo wysoka wytrzymałość (ale tylko na
ściskanie!)
" Twardość
" Kruchość (plastyczność bliska zeru!)
" Niezdolność do poddawania obróbce
cieplnej i plastycznej
Układy atomów w polimerach
Polimery są olbrzymimi, łańcuchowymi cząsteczkami, w których atomy
są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi. Taki łańcuchowy
szkielet jest zwykle zbudowany z atomów węgla np. polietylen.
Otrzymuje się go dzięki katalitycznej polimeryzacji etylenu:
H H
H H H
H
H H
itd.
C C
C C C
C
C = C
H H
H H H
H
H H
Układy atomów w polimerach
W wielu polimerach łańcuchy są
Atomy wodoru
ułożone przypadkowo, a nie wg.
Atomy węgla
regularnego trójwymiarowego
wzoru sÄ… zatem niekrystaliczne
czyli amorficzne.
W innych polimerach łańcuchy mogą układać się
jedne na drugich  w tÄ™ i z powrotem . Taka
powtarzalność prowadzi do krystaliczności
polimeru.
Charakterystyka polimerów
" Materiały organiczne złożone ze związków
węgla
" Makrocząsteczki powstałe w wyniku
połączenia monomerów
" Tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem
barwników, pigmentów, katalizatorów,
napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy
Właściwości polimerów
" Niska gęstość
" Właściwości izolacyjne
" Słabe odbicie światła
" Duża odporność chemiczna
" Ograniczona możliwość poddawania
obróbce cieplnej i plastycznej
Dobór materiałów
Własności materiału jako kryteria doboru
Właściwości ekonomiczne Cena i dostępność
Gęstość
Współczynnik sprężystości i tłumienia
Granica plastyczności, wytrzymałości na
rozciąganie, twardość
Mechaniczne właściwości
objętościowe
Odporność na pękanie
Wytrzymałość zmęczeniowa, odporność
na zmęczenie cieplne
Odporność na pełzanie
Właściwości cieplne
Właściwości optyczne
Niemechaniczne
właściwości objętościowe
Właściwości magnetyczne
Właściwości elektryczne
Utlenianie i korozja
Właściwości powierzchni
Tarcie, ścieralność i zużycie
A
atwość wykonania, łączenia części,
Właściwości produkcyjne
wykończenia
Właściwości estetyczne Wygląd, powierzchnia, dotyk
WA
ASNOÅšCI EKONOMICZNE
DOST
PNOŚĆ
" Ilość
" Lokalizacja
" Praco- i energochłonność pozyskiwania
" Próg opłacalności ekonomicznej
Występowanie pierwiastków
Pierwiastek Skorupa ziemska Pierwiastek Ocean Pierwiastek Atmosfera
y
Tlen 47 Tlen 85 Azot 79
Krzem 27 Wodór 10 Tlen 19
Aluminium 8 Chlor 2 Argon 2
Żelazo 5 Sód 1 Dwutlenek węgla 0,04
Wapń 4 Magnez 0,1
Sód 3 Siarka 0,1
Potas 3 Wapń 0,04
Magnez 2 Potas 0,04
Tytan 0,4 Brom 0,007
Wodór 0,1 Węgiel 0,002
Fosfor 0,1
Mangan 0,1
Fluor 0,06
Czy wszystkie te bogactwa są dostępne?
Bar 0,04
Stront 0,04 Masa skorupy ziemskiej do gÅ‚Ä™bokoÅ›ci 1 km 3·1021 kg,
oceanów 1020 kg, atmosfery 5·1018 kg
Siarka 0,03
Węgiel 0,02
Schemat McElveya
Złoża zidentyfikowane Złoża niezidentyfikowane
Złoża Złoża
Opłacalne
dostępne perspektywiczne
Próg
opłacalności
wydobycia
Ulepszona
MalejÄ…ca
technologia
opłacalność
wydobycia
Nieopłacalne
Całość złóż
Rosnąca niepewność geologiczna
Zużycie materiałów
dC r
= C0
dt 100
r  przyrost procentowy w roku
C0  szybkość zużycia dla t=t0
r(t - t0)
C = C0 exp
100
Pole = zużycie
C0
pomiędzy t0 i t
Czas podwojenia zużycia tD
otrzymamy przyjmujÄ…c C/C0=2
t0
t
Czas t [ lata]
100 70
tD = ln 2 H"
Dla stali r = 3,4% to tD~20 lat
r r
Dla aluminium r = 8% to tD~9 lat
Dla polimerów r = 18% to tD~4 lat
C [ tona/rok]
Okres połowicznego wyczerpania
zasobów
" Gaz ziemny i ropa naftowa  25 lat
" Srebro, cyna, wolfram, cynk, ołów, rtęć -
50÷80 lat
" Aluminium, żelazo, krzemiany  kilkaset lat
Energochłonność materiałów
Materiał Energia GJ/t
Aluminium 300
Tworzywa sztuczne 100
Miedz
100 ze wzrostem do 500
Cynk 70
Stal 50
Szkło 20
Cement 8
Cegła 4
Drewno 2
Żwir 0,1
Ropa naftowa 44
Węgiel 29
Koszt energii w 1980 4,4 $/GJ