Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
CZ
ŚĆ 1.  OGÓLNA + METALE
1. Wiadomości ogólne
1.1. Wybór materiału
- ekonomia (cena, dostępność)
- mechaniczne właściwości objętościowe
- niemechaniczne właściwości objętościowe
- właściwości powierzchni
- właściwości produkcyjne
- właściwości estetyczne
1.2. Materiały inżynierskie
- metale/stopy
- materiały ceramiczne i szkła
- polimery
- kompozyty
1
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
1.3. Metale i ich stopy
Fe: stale, żeliwa
Oba stopy to Fe + C
Stale  obróbka plastyczna (kujemy, walcujemy)
Żeliwa  odlewamy
Staliwa  to materiały o składzie stali, ale obróbce żeliwa.
Cu: brÄ…zy, mosiÄ…dze, (miedzionikle)
Brązy to: Cu + któryś z pierwiastków: Sn, Be, Al, Pb, Si.
MosiÄ…dze to: Cu + Zn.
Al: durale, siluminy
Durale  plastyczne
Siluminy  odlewnicze
Ni, Ti, Mg: stopy lekkie
1.4. Cechy metali i stopów:
- sztywność
- plastyczność
- sprężystość
- ciągliwość
- odporność na pękanie
- przewodność elektryczna i cieplna
UWAGA: nie metaliczny połysk!
Czyste metale  mała wytrzymałość mechaniczna
Stopy  duża wytrzymałość mechaniczna
1.5. Metale:
a) O niskiej temperaturze topnienia: Pb, Zn, Mg, Al, Sn
b) O wysokiej temperaturze topnienia: W (ok. 3700), Mo (ok. 2900)
Temperatura zwiększa właściwości plastyczne, a zmniejsza wytrzymałościowe
1.6. Inne pojęcia:
Superstopy, nadstopy  charakteryzują się żaroodpornością (chemiczną) i żarowytrzymałością.
Szkło metaliczne / metale szkliste  nieuporządkowane, nie są wykrywane przez radary.
2
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
2. STAL
2.1. Stal węglowa
a) Definicja: stop żelaza z węglem (Fe + C)
b) Zawartość węgla: do 6,7%, praktycznie do 2,11%, najczęściej około 1%
c) Temperatura topnienia: około 1500 stopni Celsjusza
d) Im większa zawartość węgla, tym większa kruchość i twardość
e) Zalety stali węglowej:
+ dobre parametry wytrzymałościowe
+ cena
Wady stali węglowej:
- brak odporności na korozję
2.2. Jak zwiększyć odporność na korozję stali węglowej?
- przez dodatek chromu, niklu (stal chromowo-niklowa), molibdenu
- przez stosowanie różnego rodzaju powłok, kompozytów itp.
2.3. Wpływ szybkości chłodzenia na właściwości stali:
- przy szybkim chłodzeniu powstają małe krystality,
- właściwości na granicach krystalitów są inne,
- właściwości materiałów drobnokrystalicznych są inne niż grubokrystalicznych,
- nanomateriał jest lepszy wytrzymałościowo niż materiał grubokrystaliczny,
2.4. Wpływ innych pierwiastków:
a) Zanieczyszczenia: P, S
b) Dodatki zwykłe: Al, Si, Mn
c) Dodatki stopowe: Cr-Ni, Mo
d) Dodatki (wpływ T): Mo, W
e) Węglik krzemu -> kruchość na gorąco (tworzy mieszaninę eutektyczną)
3. MATERIAA
Y CERAMICZNE I SZKA
A
3.1. Definicja:
- tlenki i zwiÄ…zki chemiczne z C, N, P, S
- składniki: Al O , SiO , MgO, SiC, Si N
2 3 2 3 4
3.2. Właściwości:
- mała pojemność elektryczna i cieplna,
- zdolność do przenoszenia obciążeń ściskających,
- słaba ciągliwość, pęka,
- odporne na korozjÄ™,
- odporne na wysoką temperaturę (temperatura topnienia Al O to aż 2020 stopni, podczas gdy
2 3
samego Al tylko 660 stopni Celsjusza)
- z reguły są krystaliczne (szkło jest amorficzne!)
3
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
3.3. Pojęcia:
Odszklenie/dewitryfikacja  jest to przejście z fazy szklanej do fazy krystalicznej.
Szkło okienne  składa się w 72% z SiO + Na O + CaO
2 2
4. WA
AÅšCIWOÅšCI MECHANICZNE MATERIAA
ÓW
4.1. Naprężenie
Kiedy na pręt działa siła, są w nim naprężenia. Wyrażamy je jako siłę działającą na określoną
powierzchniÄ™ przekroju:
5Ø9Ü
5Øß =
5ØFÜ
Gdy siła nie jest prostopadła do powierzchni przekroju wyróżniamy dwie siły:
- siłę styczną (ścinającą)
- siłę normalną (rozciągającą).
Jednostka naprężenia:
[ ]
5Øß = 5ØAÜ5ØZÜ-2, 5Ø@Ü5ØAÜ5ØZÜ-2, 5Ø@Ü5ØCÜ5ØNÜ
4.2. Odkształcenie
a) Wydłużenie
"5ØYÜ 5ØYÜ - 5ØYÜ0
5Øß5Ø[Ü = =
5ØYÜ0 5ØYÜ0
b) Odkształcenie poprzeczne
"5ØNÜ 5ØNÜ - 5ØNÜ0
5Øß5Ø]Ü = =
5ØNÜ0 5ØNÜ0
c) Liczba Poissona
5Øß5Ø]Ü
5ØcÜ = -
5Øß5Ø[Ü
(5ØdÜ 5ØgÜ5ØNÜ5ØXÜ5Ø_Ü5ØRÜ5Ø`Ü5ØVÜ5ØRÜ 5Ø\Ü5ØQÜ5ØXÜ5Ø`Ü5ØgÜ5ØaÜ5ØNÜÅ‚5ØPÜ5ØRÜÅ„ 5Ø`Ü5Ø]Ü5Ø_Üęż5ØfÜ5Ø`Ü5ØaÜ5ØfÜ5ØPÜ!)
4.3. Moduły sprężystości
5Øß = 5Øß5Ø8Ü
E  moduł Younga, zależy od:
- typu wiązań,
- składu chemicznego,
- struktury krystalicznej.
Jest to wartość anizotropowa (zależy od kierunku).
Obróbka cieplna i plastyczna nie zmieniają E jeśli nie zmienią struktury.
4
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
5ØQÜ5Ø9Ü
5Ø8Ü H" ( ) = 5ØaÜ5ØTÜ5ØüÞ
5ØQÜ5ØNÜ
5ØNÜ0
Linie styczne w F = 0 świadczą o sztywności. Im większy kąt, tym większa sztywność, a im większa
sztywność (większe E), tym wyższa temperatura topnienia, bo rośnie siła wiązań.
4.4. Statyczna próba rozciągania
a) Umowna granica sprężystości  R
0,05
b) Umowna granica plastyczności  R
0,2
c) Wytrzymałość na rozciąganie - R
m
d) Wydłużenie względne  A
e) Przewężenie względne  Z
4.5. Twardość
- Bada się ją za pomocą wgłębnika
- Skala Mosha: 0 (talk)  10 (diament)
- Podawana ze znakiem HB lub HV,
- Istnieje zależność między R a twardością (stwierdzona empirycznie)
m
- Podawana w 5Ø@Ü5ØAÜ
5ØZÜ2
4.6. Udarność
Jest to odporność na działanie naprężeń dynamicznych, bada się ją za pomocą Młota Charpy ego.
STOPY:
a) struktura RSC A1
- ciągliwy typ przełomu
- dobra udarność
- niezależnie od T
b) struktura HZ A3
- kruche
- typ przełomu: pękanie
c) struktura RPC A2
- niska temperatura: kruche (pękanie)
- wysoka temperatura: ciągliwe (pękanie)
- jest to np. stal stopowa
5
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
4.7. Zmęczenie
Jest to pękanie materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń. Ze względu na
rodzaj materiału rozróżniamy dwa rodzaje zmęczenia:
a) stale  odporność zmęczeniową określamy przez naprężenie graniczne
Poniżej: przyjmujemy że nie ma zmęczenia
b) stopy nieżelazne  pęknie dla każdej siły, kwestia po jakim czasie
Jako miarę przyjmujemy największą amplitudę naprężeń dla N = 106 cykli
4.8. Pełzanie
Jest to odkształcenie plastyczne pod wpływem stałego obciążenia.
- istotne od 0,3 do 0,5 temperatury topnienia.
5. ZNAKOWANIE STALI
Stale dzielimy na:
- narzędziowe
- konstrukcyjne
- specjalnych zastosowań
5.1. SYSTEM STARY POLSKI
a) Wg parametrów wytrzymałościowych
np. St  stal węglowa
St3s  zwykła stal węglowa, s = spawanie, numery od 0 do 5, nie przekazują nic wprost
6
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
b) Wg składu
np. OH18N9T  najczęściej stosowana stal stopowa, 18% Chromu, 9% Niklu, <1% Tytanu
c) Oznaczenia międzynarodowe
np. 1.14217
stopy żelaza oznaczamy jako 1., stopy niklu jako 2.
5.2. SYSTEM NOWY POLSKI
a) stale węglowe o zawartości manganu <1%
np. C55 (stal o zawartości 0,55% węgla)
symbol C + 100*zawartość procentowa C
b) stale niestopowe o zawartości manganu = lub >1%
stale stopowe o zawartości pierwiastków (wszystkich) <5%
np. 55 NiCrMoV 6-2-2 (zawartość węgla 0,55%, najwięcej Ni najmniej V, 4 dodatki stopowe, 6-2-2 to
nie procenty!)
c) stale stopowe o zawartości przynajmniej 1 pierwiastka >5%
np. 5 CrNiMo 17-12-2 (zaw. węgla  0,05%, 17% Cr, 12% Ni, 2% Mo
d) stale szybkotnÄ…ce (automatowe)
zawsze mają 3,5-4,5% Cr, w zapisie podajemy ilość pierwiastków w określonej kolejności:
W-Mo-V-Co
Np. HS 18-0-1 (3 dodatki stopowe, 18% W, brak Mo, 1% V, obecny chrom!)
7
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
CZ
ŚĆ 2.  POLIMERY
8. Polistyren
1. Poliuretany (PU)
- spala się czarnym płomieniem
- pianki
- w oponach
- powlekanie tkanin do uszczelniania
- pojemniki, pudełka spożywcze
- farby
9. Politereftalan etylenowy (PET)
- uszczelki
- butelki plastikowe
2. Akronitryl butadien styren (ABS)
10. PBT
- należy do polimerów styrenowych
- rurki na przewodach samochodowych
3. Poliamid
11. Żywice poliestrowe epoksydowe
4. Polichlorek winylu (PCV)
- kompozyty
- profile okienne
- jachty, Å‚odzie
- rury kanalizacyjne
- epidian to inaczej epoksyd
- worki na krew/kroplówkę
12. Poliamid
- worki na wysypiska śmieci
- 12, 47, 66, 6
5. Polipropylen
- 66 = kwas ma 6 węgli i glikol ma 6 węgli
- włókna
-5Ø;Ü25ØBÜ
- RCOOH + H N-R RCON-R
2
- skrzynki na butelki
6. Polibutadien
- w oponach
7. Polietylen
- torebki foliowe
- folie
- budowa: CH
2-CH
2-&
13. Skróty polimerów:
PE - polietylen
PP - polipropylen
PVC, PCV  polichlorek winylu
PS - polistyren
PU - poliuretan
ABS  akronitryl butadien styren
PET  politereftalan etylenowy
PBT - polibutylen
PC - poliwęglan
SAN  styren akronitryl
PMMA  polimetakrylan metylu
PTFE  teflon (politetrafluoroeten)
PA  poliamid
8
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
14. Europejska skala polimeru
PVC  11%, PS  9%, PET  4%
15. Termoplasty
- grupy polimerów. W warunkach termicznych przechodzą ze stanu szklistego w plastyczny i
można je formować. Jeśli je rozdrobnimy, otrzymamy przemiał i możemy je wykorzystać do
stworzenia nowego przedmiotu (np. doniczki wytwarza się z materiału pochodzącego z
recyklingu).
16. Kompozyty
- materiały składające się przynajmniej z dwóch składników, dwufazowe (np. kompozyt
poliestrowo-szklany w łodzi żaglowej). W kompozycie maksymalna wytrzymałość jest wtedy,
kiedy włókna są zapełnione, ponieważ wytrzymałość jest przenoszona przez włókna. Jesteśmy w
stanie uzyskać 60% udział włókien szklanych w kompozycie.
Faza
- część układu oddzielona od reszty granicą fazową.
Nanokompozyty
- grupa materiałów, w której podstawowe elementy struktury zintegrowane są na poziomie
nanometrów. W nanokompozytach polimerowych fazę ciągłą (matrycę) stanowi polimer.
Wypełniacze stosowane w nanokompozytach
a) materiały  zerowymiarowe  sferoidalne monocząstki krzemionki lub modyfikowane fullereny
b) materiały  jednowymiarowe  nanorurki (zastosowanie w materiałach konstrukcyjnych)
c) materiały  dwuwymiarowe  2 wymiary makro; warstwowe gliniokrzemiany (takie jak
montmorylonit; odległość płaszczyznowa w montmorylonicie zależy od wielkości jonu
międzywarstwowego, komórka elementarna jest mała, a sieć krystaliczna silnie zdefektowana)
Nanokompozyty na bazie warstwowych glinokrzemianów
- geometria napełniacza pozwala na osiągnięcie olbrzymiej powierzchni oddziaływań polimer-
wypełniacz
Zastosowanie nanokompozytów polimerowych:
- materiały konstrukcyjne (tworzywa o podwyższonej sztywności)
- przemysł motoryzacyjny (zewnętrzne elementy karoserii samochodowej)
- elektronika/elektrotechnika
- opakowania
Otrzymywanie nanokompozytów
1. Modyfikacja montmorylonitu
2. Organofilizacja glinokrzemianu
3. Zwiększenie przestrzeni międzypłaszczyznowych glinokrzemianu
4. Rozdział układu polimer-montmorylonit
Inż. materiałów  Szczygieł & Pigłowski, oprac. Justyna Skiberowska Strona 9
Inżynieria materiałów i nauka o materiałach
a) Mikrokompozyty
b) Nanokompozyty
- interkalowane  polimer interkaluje do powierzchni glinokrzemianu,
- dyspersyjne
Od struktury materiału silnie zależą właściwości.
Obecność modyfikowanego montmorylonitu powoduje, że termolastyczne polimery podczas
spalania nie kapiÄ….
Badanie struktury nanokompozytów:
- małokątowa dyfrakcja rentgenowska w mikrodomenach materiału
- klasyczna, proszkowa dyfraktometria rentgenowska
Organofilizacja - wymiana kationów sodu na kationy organiczne, powoduje, że w rozpuszczalniku
organicznym r-r Å‚atwo dysperguje. Bentonit jest hydrofilowy  pobiera wodÄ™.
17. Model Maxwella
Jest złożony z szeregowo połączonych elementów ciała idealnie sprężystego i
lepkiego.
Odkształcenie układu opisuje równanie:
5ØQÜ5ØþÞ 1 1 5ØQÜ5Øß
= 5Øß +
5ØQÜ5ØaÜ 5Øß 5Ø:Ü 5ØQÜ5ØaÜ
Działanie stałego naprężenia powoduje natychmiastowe odkształcenie sprężyste,
następnie układ zaczyna płynąć nieograniczenie w sposób liniowy w czasie t.
Po odjęciu obciążenia w układzie pozostaje stałe odkształcenie.
18. Jak powstaje obraz w mikroskopie elektronowym
Elektrony przebiegają wokół określonej materii, jak przechodzą przez polimer to widzą tylko
węgiel.
19. W polimerach:
- jak stopimy i schłodzimy, to potrzebne jest większe zarodkowanie, aby polimer wrócił do stanu
krystalicznego
Nukleanty  zarodki krystalizacji
Nukleacja  zarodkowanie
Sferolit  kulisty agregat utworzony przez igiełkowate kryształy wzrastające od wspólnego punktu
początkowego w sposób promienisty.
20. Odmiany
- alfa i beta
- w formie beta obserwujemy efekt piezoelektryczny.
Inż. materiałów  Szczygieł & Pigłowski, oprac. Justyna Skiberowska Strona 10