MATERIAŁOZNAWSTWO

Wykład 1

Materiały- wszystkie skondensowane substancje, ciała stałe, których właściwości czynią je użytecznymi dla człowieka. Wykonuje się z nich złożone produkty pracy, przedmioty użytkowe, narzędzia, konstrukcje, budowle, maszyny i pojazdy, broń itp.

Właściwości materiału- zespół charakterystycznych cech, określających reakcję tworzywa na czynniki zewnętrzne (np. temperatura) właściwości materiału można określić jako pewną stałą wielkość, zależną wyłącznie od natury materiału, niezwiązaną z jego kształtem i wymiarami.

• Właściwości fizyczne- określają zachowanie materiału w polu oddziaływania czynnika fizycznego.

• Właściwości chemiczne- określają najczęściej zdolność ( lub jej brak) do wchodzenia materiału w reakcje chemiczne ze środowiskiem. Najbardziej typowym przykładem jest odporność korozyjna tworzywa.

• Właściwości mechaniczne- charakteryzują zachowanie materiału poddanego działaniu obciążeń mechanicznych.

• Właściwości użytkowe- decydują o zachowaniu się materiałów podczas eksploatacji wykonanych z nich maszyn i urządzeń,

O właściwościach w ogólnym znaczeniu decyduje skład chemiczny i struktura wewnętrzna materiału.

Metale i stopy metali

80 pierwiastków w układzie okresowym to metale, wśród których wiele np. żelazo, aluminium, miedź, mangan, nikiel, kobalt, tytan, srebro, złoto, platyna mają znaczenie użytkowe.

Stopy metali- substancje składające się z co najmniej dwóch pierwiastków, z których przynajmniej jeden w przeważającej części jest metalem.

W technice zalicza się do metali substancje, charakteryzujące się w stanie stałym następującymi właściwościami:

- dobrą przewodnością cieplną i elektryczną,

- plastycznością- zdolnością do trwałych odkształceń,

- połyskiem- zdolnością do odbijania promieni świetlnych.

Metale należą do materiałów krystalicznych charakteryzujących się prawidłowym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. Między atomami metali występują wiązania metaliczne.

Materiały metaliczne dzielimy na:

- polikrystaliczne,

- monokrystaliczne ( na cały element składa się jeden kryształ).

Materiały ceramiczne

Ceramika składa się w stanie stałym z substancji nieorganicznych (nie będących metalami i ich stopami) otrzymywane zazwyczaj przez spiekanie. Większość materiałów ceramicznych to tlenki lub związki chemiczne metali z takimi pierwiastkami jak azot, węgiel, bor i inne, w których atomy połączone są wiązaniami atomowymi i jonowymi.

Tworzywa ceramiczne przeznaczone na wyroby garncarskie, porcelanowe, dachówki, cegły budowlane i żaroodporne są wytwarzane z gliny, która jest formowana w stanie wilgotnym i następnie jest suszona i wypalana. Na narzędzia skrawające stosuje się, w wielu przypadkach z powodzeniem zastępując metale, tworzywa ceramiczne: diament, korund (Al₃O₃), węglik i azotek krzemu (SiC₅, Si₃Ni₄), dużą grupę materiałów ceramicznych stanowi tzw. Ceramika specjalna. Należą do niej materiały elektroniki, tworzywa ogniotrwałe o wysokiej jakości oraz ceramika stosowana dla celów medycznych.

Tworzywa ceramiczne charakteryzują się przede wszystkim:

- odpornością na działanie czynników chemicznych,

- dobrymi właściwościami mechanicznymi (oprócz wytrzymałości na rozciąganie i udarność) w tym dużą twardością i odpornością na ścieranie,

- właściwościami dielektrycznymi.

Podobnie jak metale, materiały ceramiczne w skali atomowej charakteryzują się strukturą krystaliczną, niemniej wiele materiałów ceramicznych może wykazywać również strukturę niekrystaliczną, czyli amorficzną. Takie materiały nazywamy szkłami. Są to materiały nieorganiczne, głównie tlenki, których właściwości są pośrednie pomiędzy właściwościami stanu ciekłego i stałego.

Cechują się one:

- dobrą przepuszczalnością promieni widzialnych,

- dużą wytrzymałością na ściskanie,

- małą wytrzymałością na zginanie i rozciąganie.

Polimery i tworzywa sztuczne

Polimery nazywane również tworzywami wielkocząsteczkowymi są materiałami organicznymi, zbudowanymi ze związków węgla z wodorem i innymi pierwiastkami.

Mają one tzw. Budowę łańcuchową, złożoną z powtarzających się elementów zwanych merami. Poza tym w skład polimerów wchodzą również dodatki pomocnicze, jak wypełniacze, stabilizatory, zmiękczacze, barwniki, pigmenty itp.

Tworzywa sztuczne można podzielić na:

- elastomery cechujące się wydłużeniem powyżej 100% i zdolnością do powrotu do pierwotnych wymiarów.

- plastomery- po odkształceniu nie wracają do swojej pierwotnej postaci. Dzielą się na:

* termoplasty- termoplastyczne polimery amorficzne i krystaliczne.

* duoplasty- polimery termo i chemoutwardzalne

Kompozyty

Kompozyt to materiał z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach, tak aby powstał materiał o właściwościach lepszych lub innych niż poszczególne składniki.

Jednym ze składników kompozytu jest tzw. Zbrojenie, mające za zadanie przejmować obciążenia np. mechaniczne, zaś drugim składnikiem jest tzw. Osnowa spajająca (wiążąca) w całości elementy zbrojące.

Wykład 2

Budowa materiałów:

- atom i cząsteczka

- komórka elementarna

- kryształ

-mikrostruktura

- makrostruktura

Krystaliczna struktura materiałów

Krzepnięcie- proces przechodzenia substancji ze stanu ciekłego w stan stały. Atomy lub cząsteczki układają się względem siebie w przestrzeni w sposób bardziej lub mniej uporządkowany.

Stan krystaliczny- charakteryzuje się prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym atomów lub cząsteczek. Pojawia się on przy niskiej szybkości chłodzenia ciekłego metalu. Atomy lub cząsteczki układają się wzglądem siebie w sposób regularny, zachowując przestrzenną symetrię.

Kryształy- ciała stałe w których atomy lub cząsteczki są regularnie ułożone względem siebie.

Stan amorficzny- czyli bezpostaciowy uzyskujemy przy zastosowaniu bardzo dużej szybkości chłodzenia ze stanu ciekłego. W taki sposób uzyskuje się szkło metaliczne.

Komórka elementarna jest najmniejszym elementem sieci krystalicznej.

Większość metali o znaczeniu technicznym krystalizuje w jednym z 3 następujących układów krystalicznych:

• Regularnym o sieci ściennie centrowanej –RSC

• Regularnym o sieci przestrzennie centrowanej- RPC

• Heksagonalnym o sieci zwartej

Defekty

- punktowe- związana z przemieszczeniem pojedynczych atomów w mikrostrukturze. Defekty punktowe powodują lokalne zniekształcenia sieci kryształu, kontrakcję i ekspansję.

- liniowe- występują w strukturze kryształów, to dyslokacje. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje dyslokacji:

* krawędziową – powstaje w krysztale w wyniku wprowadzenia dodatkowej płaszczyzny atomowej zwanej ekstrapłaszczyzną.

* śrubową- powstaje w wyniku wzajemnego przesunięcia płaszczyzn atomowych.

- powierzchniowe

Atom międzywęzłowy- atom przemieszczony z węzła sieci do pozycji międzywęzłowej.

Atom różnowęzłowy- pojawia się, gdy w roztworze stałym atom pierwiastka rozpuszczonego zastąpi atom pierwiastka będącego rozpuszczalnikiem.

Wykład 3

Właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne charakteryzują reakcje na obciążenia zewnętrzne materiału.

Reakcją materiału na obciążenie jest odkształcenie sprężyste, następnie plastyczne a po przekroczeniu wytrzymałości mechanicznej właściwej dla danego tworzywa utrata spójności materiału, czyli dekohezja.

Odkształcenie sprężyste powstaje po obciążeniu materiału określoną siłą. Po ustaniu jej działania materiał wraca do pierwotnych wymiarów. Nie powstaje trwałe odkształcenie oraz zmiana struktury i właściwości.

Odkształcenie plastyczne występuje w kolejnej fazie obciążenia materiału, gdzie powstają trwałe odkształcenia makro oraz mikroskopowe (zmiany struktury) i właściwości.

Plastyczność materiału charakteryzuje jego zdolność do trwałych odkształceń bez naruszania wewnętrznej spójności, jest jedną z głównych właściwości tworzyw, szczególnie konstrukcyjnych.

Właściwości mechaniczne materiałów zależą od składu chemicznego, struktury i temperatury.

Podstawową próbą, umożliwiającą określenie właściwości wytrzymałościowych i plastycznych materiałów jest statyczna próba rozciągania.

Maksymalna wytrzymałość na rozciąganie Rm, czyli naprężenie normalne w próbce jako stosunek największej siły rozciągającej Fm do pola powierzchni przekroju początkowego próbki So:

Rm= Fm/ So

Wyraźna granica plastyczności Re, czyli naprężenie rozciągające w próbce, przy osiągnięciu którego występuje wyraźny wzrost jej wydłużenia, przy ustalonej lub nieco zmniejszonej sile rozciągającej.

Umowna granica plastyczności Roz, czyli naprężenie rozciągające, wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x=0,2%.

Właściwości plastyczne materiałów wyznaczane w statycznej próbie rozciągania określa się na podstawie wydłużenia i przewężenia.

• Wydłużenie jest stosunkiem trwałego wydłużenia bezpośredniego próbki po rozerwaniu ∆L do długości pomiarowej L_o wyrażonym w procentach:

A_p= (∆L/ l_o) * 100%

• Przewężenie- stosunek zmniejszenia pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania do pola powierzchni jej przekroju pierwotnego, wyrażony w procentach:

Z= [(s_o-S_u)/S_o]*100%

• Udarność- charakteryzuje odporność materiału na obciążenia dynamiczne. Próba udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego Charpy’ego próbki z karbem, podpartej swobodnie na obu końcach i pomiarze energii jej złamania. Próbka jest ułożona tak, by uderzenie młota nastąpiło z przeciwległej strony karbu.

Udarność KC wyraża się stosunkiem pracy łamania K (w J) zużytej na złamanie próbki do pola powierzchni jej przkroju poprzecznego w miejscu złamania S_o (w cm²)

Twardość

Twardością nazywa się odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych działających na małą powierzchnię materiału, wywoływanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika. W zależności od rozmiarów strefy odkształcenia spowodowanych wnikaniem wgłębnika w materiał rozróżnia się pomiary makro i mikrotwardości.

W pomiarach makrotwardości sfera odkształcenia obejmuje większą liczbę ziaren, natomiast pomiary mikrotwardości są stosowane do oznaczania twardości oddzielnych krystalitów i dlatego sfera odkształcenia powinna być mniejsza od rozmiarów badanego ziarna.

W zależności od rodzaju i kształtu wgłębnik oraz przeprowadzania próby rozróżnia się:

-twardość Brinella (wgłębnikiem jest stalowa kulka)- oznaczana HB

- twardość Rockwella (wgłębnikiem są : stożek diamentowy lub kulka stalowa)- oznaczona HRA, HRB lub HRC

- twardość Vickersa (wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy)- oznaczana HV

Rzeczywistą twardość (np. twardość Brinella) określa się ilorazem wartości obciążenia F i powierzchni czaszy docisku.

Wykład 4

Tarcie

Tarcie jest niezbędnym warunkiem poruszanie się istot żywych oraz samochodów, pociągów itp., a także funkcjonowania wielu mechanizmów, np. sprzęgła czy przekładni. Tam gdzie jest ono zjawiskiem niekorzystnym, zmniejsza się jem wprowadzając pomiędzy trące mechanizmy ciecze (np. w przekładniach zębatych i łożyskach).

Tarciu zawdzięczamy możliwość poruszania się, pisania przytrzymywania w ręku różnych przedmiotów.

Współpracujące elementy można uważać za elementarny system tribologiczny. System ten jest znany, jeśli znane są jego składniki oraz znany jest zbiór relacji opisujących oddziaływanie między nimi. W procesie tarcia na współpracujące elementu oddziałuje szereg czynników zewnętrznych.

Szkodliwość tarcia polega również na tym, że powoduje ono niszczenie trących się podczas ruchu elementów maszyn. Oblicza się, że z powodu tarcia ulegają w ciągu roku zużyciu dziesiątki tysięcy ton najdroższych stopów metali.

Zużycie abrazyjne jest procesem zdzierania i ścierania warstwy materiału zachodzącego w warunkach:

- odkształcania i ścierania przy dużych naciskach ziarnistego materiału ściernego,

- wyrywania i ścierania przy małych naciskach wywieranych przez cząsteczki stałe zawieszone w cieczy lub gazie.

Zużycie przy tarciu suchym- występuje często podczas ślizgania się i toczenia współpracujących elementów ( praca walców, łoża tokarek, sprzęgła, szczęki, bębny hamulcowe)

Zużycie przy tarciu ze smarowaniem- jest najczęściej spotykanym rodzajem niszczenia współpracujących materiałów. Ulegają mu cylindry i pierścienie tłokowe, wały i łożyska, części obrabiarek itp.

Warunki tarcia się tych elementów są bardzo zróżnicowane, jednak mimo smarowania decydującą rolę w mechanizmie ich zużywania odgrywa struktura tworzywa. Tworzywo pracujące w tych warunkach powinno się charakteryzować dobrą zdolnością do docierania, małym współczynnikiem tarcia, zdolnością do utrzymywania ciągłej warstewki smaru na powierzchni. Powinno poza tym zachowywać dobre właściwości mechaniczne w podwyższonej temperaturze.

Odporność materiałów na korozję

Korozja jest elektrochemicznym lub chemicznym procesem utleniania się materiału, co prowadzi do bezpowrotnego ubytku, powodującego zmniejszanie zdolności elementu do przenoszenia obciążeń. Straty powodowane przez korozję są olbrzymie i stanowią obecnie, wraz ze stratami w skutek zużycia mechanicznego podstawowy problem w gospodarce surowcowo- materiałowej.

Korozja elektrochemiczna występująca podczas kontaktu materiału z elektrolitami (najczęściej roztworami wodnymi kwasów i zasad).

Wyróżnia się:

• Korozja równomierna- określana na podstawie ubytku materiału wyrażonego w [g/m²] lub mm/rok.

• Korozja miejscowa- powodująca wyjątkowo duże ubytki materiału w oddzielnych miejscach; szczególnym przypadkiem tej korozji jest korozja wżerowa, jest to szczególnie niebezpieczny rodzaj korozji, gdyż jakkolwiek ilość skorodowanego materiału może być mała, to straty materialne pośrednie (zniszczenie urządzeń, zwłaszcza zbiorników cieczy i gazów, rurociągów, itd.) bywają duże.

• Korozja strefowa- polega na selektywnym niszczeniu poszczególnych składników struktury materiału.

• Korozja międzykrystaliczna- występuje na granicach ziaren; spowodowana wydzieleniem się nowej fazy.

Jest wiele sposobów ochrony metali przed korozją elektrochemiczną, do najważniejszych należą:

• Dobór składu chemicznego (katodowa i anodowa) polegająca na polaryzacji prądem stałym konstrukcji metalowej narażonej na działania środowiska korozyjnego.

• Nakładanie powłok ochronnych: metalowych (anodowych i katodowych), organicznych (powłok malarskich), nieorganicznych (wykładzin ceramicznych, powłok cementowych itp.)

• Stosowania inhibitorów procesów korozji tj. substancji ograniczających agresywność środowiska korozyjnego (anodowe, katodowe, mieszane, lotne).

Żaroodporność- to odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze.

Żarowytrzymałość- obejmuje zdolność materiału do zachowania właściwości mechanicznych w podwyższonej i wysokiej temperaturze oraz zachowania w tych warunkach wymiarów geometrycznych (zwaną też odpornością na pęcznienie)

Szczególnie niebezpieczne dla elementów maszyn i urządzeń są cyklicznie powtarzające się zmiany temperatur wywołujące zmęczenie cieplne:

- tarcze i bębny hamulcowe,

- kolektory wydechowe pojazdów mechanicznych

- głowice wydechowe pojazdów mechanicznych

- głowice bloków cylindrów wysokoprężnych, silników diesla

- wykładziny ceramiczne pieców i kadzi metalurgicznych.

Pełzaniem nazywa się zjawisko plastycznego odkształcania elementów maszyny lub urządzenia, poddanych długotrwałemu działaniu obciążeń statycznych w stałej temperaturze. Zjawisko to nasila się w miarę podwyższania temperatury. Zasadniczy wpływ wywiera w tym przypadku czas działania obciążenia.