Wykład 1 - Technologie wytwarzania żelaza i stali
Stal - stop żelaza, węgla i pierwiastków o zawartości węgla maksymalnie 2%. Musi zostad obrobiona
plastycznie - w innym wypadku jest staliwem.
Żelazo - samo w sobie nie ma większego zastosowania, użyteczne są jego stopy.
W roku 2012 wyprodukowano 1580 000 000 ton stali.
Hutnicze wyroby stalowe:
1) kształtowniki
2) blachy
3) rury
CYKL METALURGICZNY (wytwarzania żelaza i stali )
Surówka Ciekła stal
Proces Procesy stalownicze:
Proces odlewania stali:
wielkopiecowy 1) konwektor tlenowy*
1) do wlewnic
(redukcyjny) 2) elektryczny piec Å‚ukowy**
2) ciągłe odlewanie
Wsad
Wlewek
stalowy
Materiały wsadowe:
- materiały żelazonośne
- surówka
- materiały żużlotwórcze
- złom stalowy
(CaO, CaC5ØBÜ3, CaMgC5ØBÜ3
- materiały żużlotwórcze
- koks wielkopiecowy
Przeróbka plastyczna
- żalazostopy
( dostarcza ciepła,
reduktor)
Odpady:
- żużel stalowniczy
- gaz konwektorowy
Produkty uboczne:
- szlam, pył
- żużel (300kg/tonę
- spaliny
surówki).
Stalowe wyroby hutnicze
- gaz wielkopiecowy
-szlam
* Surówka 70%, reszta to złom
** 100% złomu stalowego. Co druga tona stali powstaje ze złomu.
Rudy żelaza - 5Ø9Ü5ØRÜ35ØBÜ4 ( magnetyd ), 5Ø9Ü5ØRÜ25ØBÜ3, 5Ø9Ü5ØRÜ5Ø6Ü5ØBÜ3, FeS
Niepotrzebna częśd rudy to skała płonna.
Surówka - stop żelaza z węglem
Żużel - jest używany do produkcji materiałów budowlanych, cementów, materiałów izolacyjnych
(wata szklana), pumeks.
Żużel stalowniczy - cementy, budownictwo, pigment
Gaz wielkopiecowy - wykorzystywany w celach energetycznych, grzewczych.
Szlam - zawracany do procesów spiekania
Wlewek stalowy - bryła o odpowiedniej masie oraz średnicy ( możliwa do przerobienia )
Wykład 2 - Struktura, właściwości i metody badao materiałów
Właściwości materiałów - zespół charakterystycznych cech określających reakcję tworzywa na
bodz
ce zewnętrzne.
Reakcja = właściwośd * bodziec
np.
Naprężenie = Moduł Younga * odkształcenie
Właściwości są stałe, zależne jedynie od natury materiału, nie od wymiarów
Wielkośd reakcji zależy od materiału i intensywności bodz
ca.
Właściwości tworzyw:
1) Mechaniczne
2) Fizyczne
3) Chemiczne
Bodz
ce zewnętrzne:
1) Pole naprężeo odkształcenie
2) Pole elektryczne reakcja materiału opór elektryczny
3) Czynnik chemiczny utlenianie/redukcja
W materiałach ważne są:
- skład chemiczny
- budowa ( każdy poziom budowy wymaga innych metod i urządzeo do badania )
- ułożenie atomów
- wiÄ…zania chemiczne
O właściwościach materiałów decyduje ich skład chemiczny i technologia ich wytwarzania
Skład chemiczny
Struktura
Technologia Właściwości użytkowe materiałów
Stan powierzchni
Podstawowe grupy materiałów
Ceramika Polimery
KOMPOZYTY
Półprzewodniki,
Szkła metaliczne
nadprzewodniki
Metale
Struktura - wewnętrzna budowa materiału. Można ją kształtowad w trakcie procesów
technologicznych. W materiałach można wyróżnid kilka poziomów struktury:
- konstrukcja
- makro i mikrostruktura
- faza
- molekuła
- atom
- jÄ…dro
- czÄ…stka elementarna
WiÄ…zania chemiczne!
Związki jonowe - krystaliczne ciała stałe, wysokie temperatury wrzenia i topnienia, przewodnictwo
elektryczne ( w stanie stopionym ).
Badania materiałów:
- cele poznawcze
- cele utylitarne
Mikroanaliza rentgenowska - określa skład chemiczny w bardzo małej objętości
Mikroskopia sił atomowych (AFM)
Wizualizacja na poziomie atomowym
Elektronowa mikroskopia tunelowa ( STM )
Wykład 3 - Technologie wytwarzania ceramiki, tworzyw sztucznych i kompozytów
1. Ceramika:
Złożone związki i roztwory stałe pierwiastków metalicznych i niemetalicznych połączone ze sobą
wiązaniem jonowym lub kowalencyjnym: tlenki, azotki i węgliki. Np. materiały ogniotrwałe,
budowlane, ceramika inżynieryjna, porcelana, płytki, ceramika elektrotechniczna.
Rodzaje produktów:
- ceramika lita/spieczona - wyroby
- ceramika porowata - wyroby i półprodukty
- proszki ceramiczne - pigmenty, ścierniwa
- powłoki: grube (np. szkliwa, emalie) i cienkie
- włókna (szklane, grafitowe)
Grupy ceramiki:
- materiały wiążące
- szkło
- ceramika budowlana
- ceramika szlachetna
- materiały ogniotrwałe
Zalety ceramiki Wady ceramiki
Wysoka temperatura topnienia Kruchośd
Twarda, sztywna Nieodporna na szoki termiczna
Odpornośd na korozję, ścieranie Skomplikowana technologia
Niskie przewodnictwo elektryczne i cieple Koszty
Niska gęstośd
Dobra biozgodnośd
Surowiec wyjściowy - proszek
Procesy (uzyskiwanie wyrobu):
- wytwarzanie proszków i mas
- formowanie
- suszenie
- kształtowanie półfabrykatów w stanie niewypalonym
- wypalanie (spiekanie)
- nanoszenie pokryd ceramicznych
- kształtująca obróbka koocowa
Uzyskiwanie proszku:
- rozdrabnianie grube i miałkie
(zmniejsza rozmiary ziaren, zwiększa reaktywnośd)
Mechanizmy:
- ściskanie
- udar
- ścieranie
Formowanie - usuwanie wody pod wpływem ciśnienia
Suszenie - wilgod usuwana poprzez odparowanie, uzyskujemy zadany kształt, nie ma jednak trwałego
połączenia
Spiekanie - proces samorzutny w wysokiej temperaturze, atomy migrujÄ… z ziarna do ziarna, powstajÄ…
szyjki łączące, ziarna wiążą się wzajemnie, towarzyszy temu skurcz całego układu, oraz przejście ze
stanu sypkiego w lity, wytrzymały polikryształ.
Rodzaje spiekania:
- swobodne
- prasowanie jednosiowe na gorÄ…co
- prasowanie izostatyczne na gorÄ…co
- plazmowe
- mikrofalowe
2. Tworzywa sztuczne ( polimerowe )
Składają się z polimerów oraz dodatków modyfikacyjnych
Dodatki:
- napełniacze
- stabilizatory termiczne
- stabilizatory promieniowania UV
- uniepalniacze ( przy zapłonie powierzchnia pokrywa się cienką warstwą węgla, która odcina dopływ
tlenu )
- środki antystatyczne
- środki spieniające
- barwniki
Produkty z tworzyw sztucznych:
- kształtowniki
- folie
- arkusze
- powłoki izolacyjne
- farby, lakiery
- kleje
- włókna do tekstyliów
Grupy tworzyw sztucznych:
1) termoplasty - struktura nie zmienia się podczas ogrzewania i kształtowania. Można poddawad
recyklingowi dzięki czemu są opłacalne.
2) duroplasty - podczas ogrzewania i kształtowania zachodzą trwałe zmiany w strukturze
molekularnej, nie można oddad do recyklingu.
Zalety tworzyw sztucznych Wady tworzyw sztucznych
Mała gęstośd Brak odporności na temperaturę
Odporne na korozję Mniejsze właściwości mechaniczne
A
atwo do przetworzenia
Wytwarzanie:
- wytłaczanie ze stałym przekrojem
- odlewanie
- wytwarzanie ciągłe ( arkusze i folie )
- wytwarzanie ciągłe włókien
- spienianie
3. Kompozyty
Materiały o strukturze niejednorodnej, składają się z 2 lub więcej komponentów o różnych
właściwościach, zachowują wyraz
ną granicę rozdziału.
Właściwości poszczególnych komponentów się nie sumują
Kompozyty dzielÄ… siÄ™ zazwyczaj na osnowÄ™ i zbrojenie
Osnowa: polimer, metal, ceramika
Faza umacniająca: włókna szklane, włókna węglowe
Stopy metali - wysoka wytrzymałośd, sztywnośd, twardośd, odpornośd na ścieranie w szerokim
zakresie temperatury. Szerokie możliwości technologiczne kształtowania struktury i właściwości
(skład chemiczny, obróbka cieplna, przeróbka plastyczna).
Stopy żelaza ( stale, żeliwa )
gÄ™stoÅ›d ~ 7,8 g/5ØPÜ5ØZÜ3
Stopy aluminium
gÄ™stoÅ›d ~ 2,7g/5ØPÜ5ØZÜ3
Klasyfikacja według gęstości!
Stopy magnezu
gÄ™stoÅ›d ~1,8 5ØTÜ/5ØPÜ5ØZÜ3
Polimery
maÅ‚a gÄ™stoÅ›d ~ 0,8 - 1,9 g/5ØPÜ5ØZÜ3
Wykład 4 - Nanomateriały
Nanomateriały - materiały, w których rozmiar elementów nie przekracza 100nm, przynajmniej w
jednym kierunku. Nanomateriał wykazuje inne właściwości w porównaniu z materiałem
konwencjonalnym o tym samym składzie chemicznym.
Klasyfikacja nanomateriałów:
1) układy małowymiarowe - kropki kwantowe, nanorurki, nanodruty, materiały nanoporowate.
2) materiały objętościowe - materiały nanokrystaliczne, materiały nanostrukturalne, nanofazowe.
Zakresy wielkości ziarna
Amorficzne Nanokrystaliczne Ultra - Mikrokrystaliczne
drobnoziarniste (konwencjonalne)
Nano I Nano II
1nm 8-12nm 30-70nm 500-1300nm
Im mniejsze ziarno tym większa wytrzymałośd
Fulereny - cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w
środku bryłę.
Nanorurki - struktury nadcząteczkowe mające postad pustych w środku walców.
Zastosowanie fulerenów:
- zastosowanie wojskowe, jako absorbent promieniowania radiacyjnego oraz fal radiowych
- w medycynie jako nośnik powoli uwalnianych leków
- w inżynierii materiałowej jako napełniacz wzmacniający polimery
- w eksploatacji maszyn pracujących w ciężkich warunkach jako modyfikator obniżający intensywnośd
zużycia
Nanorurki
Gęstośd 1,3 - 1,4
Wytrzymałośd na 46
rozciÄ…ganie *GPa+
Obciążalnośd 1
prÄ…dem
elektrycznym
Przewodnośd 6000
cieplna [W/mK]
Zastosowanie nanoczÄ…stek srebra:
- odzież, pościel, materace
- miejsca hodowli i transportu zwierzÄ…t
- płyny technologiczne ( ze względu na właściwości antybakteryjne, antywirusowe), woda basenowa
Wykład 5 - Materiały biomimetyczne
Biomimetyka - naśladownictwo natury, adaptacja w technice
Biomimetyka
Badanie budowy szkieletu,
powierzchni roślin i zwierząt
Nowe materiały Konstrukcje w architekturze
Piany metalowe ( mała gęstośd, małe przewodnictwo cieplne )
Siła adhezji - siła przyczepności
Duża siła adhezji występuje przy dużej powierzchni kontaktu
Polikaprolaktan - nanowłókna PCL ( sztuczna pajęczyna )
Wykład 6 - Procesy przeróbki plastycznej i cieplnej
Obróbka plastyczna - technika wytwarzania, w której ukształtowanie lub podzielenie materiału,
zmianę gładkości lub właściwości fizykochemicznych osiąga się przez odkształcenie wywołane siłami
zewnętrznymi
Obróbka na zimno - temperatura niższa od temperatury rekrystalizacji
Obróbka na gorąco - temperatura wyższa od temperatury rekrystalizacji
Odkształcenie - zmiana wymiarów i/lub kształtu ciała
Rozróżnia się:
- odkształcenia sprężyste - odkształcenie ustępuje po odjęciu obciążenia
- odkształcenia plastyczne - odkształcenie pozostające po odjęciu obciążenia
- odkształcenia elastoplastyczne - odkształcenie całkowite - suma plastycznego i sprężystego
Siła granicy plastyczności - po przekroczeniu granicy materiał nie wróci do pierwotnej formy
Kształtowanie - nie ma zmiany spójności materiału
Cięcie - występuje zmiana spójności materiału
Podział ze względu na rodzaj używanych urządzeo:
1) walcowanie
2) tłoczenie
3) kucie
4) ciÄ…gnienie
1. Walcowanie:
Profil walcowanego wyrobu to kształt przekroju poprzecznego
Asortyment - grupa profili i ich wymiarów
Pręty i Blachy, taśmy Wyroby specjalne Rury
kształtowniki
Pręty:
- zaliczamy do nich podstawowe wzory geometryczne
- bardziej skomplikowane są złożeniami podstawowych
Kształtowniki:
- teowniki, ceowniki, kÄ…towniki itp.
Kształtownik łubkowy - łączenie szyn
Kształtownik podkładkowy - przymocowanie szyn do podkładu
Typy walcowania:
- wzdłużne
- poprzeczne
- skośne
2. Kucie
Obróbka pod wpływem uderzenia bądz
nacisku
Kucie swobodne - tradycyjne, nieograniczone formą ( np. zwykłe kowadło i młotek )
Kucie matrycowe - ograniczone kształtem narzędzia, odwzorowuje kształt narzędzia
Wyciskanie - wypływ materiału poddanego ściskaniu w zamkniętej przestrzeni przez szczeliny lub
otwory w kształcie przekroju poprzecznego
3. CiÄ…gnienie
Zmiana kształtu poprzez wydłużenie w wyniku osiowej siły ciągnącej siły zewnętrznej oraz
równoczesnego obrotowego ściskania w ciągadle
Tłoczenie - na zimno lub gorąco, poprzez cięcie lub kształtowanie otrzymujemy wyroby o małej
grubości w stosunku do wysokości i szerokości ( np. denko garnka w stosunku do jego średnicy i
wysokości ).