Zagadnienia:

1. Od czego zależą właściwości technologiczne materiału.

2. Trzy grupy materiałów – krótka charakterystyka, wady, zalety, przykłady.

   1. Materiały metaliczne.

   2. Materiały ceramiczne.

   3. Polimery. Podział.

3. Własności materiałów. Twardość. Sprężystość. Plastyczność.

4. Prawo Hooke’a. Moduł Younga. Zależność odkształcenia od obciążenia.

5. Umowna granica plastyczności.

6. Wytrzymałość maksymalna.

7. Co to jest stop metalu. Podział stopów.

8. Stal. Staliwo. Żeliwo.

9. Opis jednej stali specjalnej. Opis jednego stopu nieżelaznego.

10. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna. Przemiany. Przykłady.

11. Kompozyty.

Odpowiedzi:

Właściwości technologiczne materiału zależą od:

Struktury wewnętrznej (budowa krystaliczna lub amorficzna),

Warunków termodynamicznych (ciśnienie i temperatura),

Skład (stop, mieszanina etc.).

Materiały:

Materiały metaliczne tj. metale techniczne i ich stopy – budowa krystaliczna,

Charakterystyka: dobra wytrzymałość, plastyczność, przewodność elektryczna i cieplna, różna odporność na korozję, na ogół dobre właściwości technologiczne, łatwość nadawania stopom właściwości fizycznych i chemicznych; duży ciężar właściwy,

Zastosowania: przemysł maszynowy, budowlany (konstrukcje budynków).

Materiały ceramiczne – budowa krystaliczny i amorficzna,

Charakterystyka: duża twardość i kruchość, przeważnie są izolatorami cieplnymi i elektrycznymi, znaczna odporność na korozję; złe właściwości technologiczne,

Zastosowania: elementy żaroodporne, elektro- i termoizolacyjne, specjalne materiały narzędziowe (ostrza skrawające, środki ścierne i polerskie),

Podział:

Struktura porowata – od 6 do 22% nasiąkliwości wagowej,

Struktura zwarta – do 6 % nasiąkliwości wagowej,

Wyroby półszlachetne – fajans, porcelana.

Polimery, tj. substancje chemiczne od dużej masie cząsteczkowej, złożone z wielokrotnie powtórzonych jednostek (merów) – budowa amorficzna,

Charakterystyka: dobre właściwości mechaniczne, elektroizolacja, odporność na czynniki chemiczne, mały ciężar właściwy; słaba odporność na temperatury powyżej 200 – 300 stopni C.

Zastosowania: elementy maszyn, opakowania, wystrój wnętrz, tabor komunikacyjny, tworzywa sztuczne, farby, lakiery, kleje etc.

Podział (wg struktury polimeru):

Elastoplasty (elastomery),

Plastomery:

Termoplasty,

Duroplasty (duromery),

Inny podział:

Pochodzenie,

Topologia cząstek (kształt przestrzenny),

Jednorodność budowy,

Budowa chemiczna.

Własności użytkowe materiałów:

Właściwości mechaniczne,

Ciężar właściwy,

Odporność na korozję,

Właściwości w skrajnych temperaturach,

Odporność na zużycie, trwałość,

Właściwości technologiczne,

Właściwości ekologiczne,

Cena, koszt wytworzenia,

Zdolność do ponownego odtworzenia.

Twardość – odporność użytkowa (np. na ścieranie, cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności na odkształcenia powierzchni, wadą twardych materiałów jest ich kruchość,

Metody mierzenia twardości:

Brinella – wciskanie kulki i mierzenie średnicy śladu (niedokładna, ponieważ kulka może się poruszyć),

Rockwella – dwustopniowe wciskanie kulki i mierzenie przyrostu wgłębienia,

Vickersa – wciskanie diamentowego ostrosłupa i mierzenie przekątnych śladu (najdokładniejsza).

Plastyczność – zdolność materiałów do ulegania nieodwracalnym odkształceniom pod wpływem zewnętrznych sił działających na materiał.

Sprężystość – fizyczna właściwość ciał materialnych odzyskiwania pierwotnego kształtu i wymiarów po usunięciu sił zewnętrznych wywołujących odkształcenie.

Udarność – jest miarą odporności metali i stopów na pękanie przy obciążeniach dynamicznych.

Elastyczność – właściwość materiałów polimerowych do odwracalnej zmiany kształtu pod działaniem zewnętrznych sił.

Prawo Hooke’a: prawo mechaniki określające zależność odkształcenia sprężystego od naprężenia. Odkształcenie ciała pod wpływem działającej siły jest wprost proporcjonalne do tej siły.

σ = E × ε – wzór na prawa Hooke’a.

$\sigma = \frac{F}{A_{0}}$ – naprężenie, stosunek siły do początkowego przekroju.

$\varepsilon = \frac{l}{l}$ – odkształcenie, stosunek wydłużenia do początkowej długości.

Moduł Younga – inaczej moduł sprężystości – wielkość określająca sprężystość materiału, wyrażająca, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.

$E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$ –wzór na moduł Younga, stosunek odkształcenia do naprężenia.

Odkształcenie - miara deformacji ciała poddanego siłom zewnętrznym:

Plastyczne (trwałe) – ciało nie wraca do poprzedniego kształtu,

Sprężyste (nietrwałe) – ciało wraca do poprzedniego stanu, obowiązuje prawo Hooke’a.

Naprężenie – siła przypadająca na jednostkę powierzchni przekroju,

naprężenie normalne (rozciągające) s – naprężenie normalne do przekroju pręta,

naprężenie styczne (ścinające) t – naprężenie styczne do przekroju pręta.

Umowna granica plastyczności – jeśli zależność przestaje być liniowa, w tym punkcie naprężenia powodują trwałe odkształcenie i jest to umowna granica ponieważ nie ma wyraźnego punktu na wykresie; σ_pl = σ_0, 2 – naprężenie powodujące trwałe odkształcenie 0,2%.

Wytrzymałość – zdolność materiałów do przenoszenia obciążeń do pewnych granicznych wartości, po przekroczeniu których materiał ulega zniszczeniu.

Naprężenia które mogą wystąpić bez obawy naruszenia warunku wytrzymałości, nazywa się naprężeniami dopuszczalnymi. Ich wartość ustala się w zależności od własności materiałów.

Dla materiałów kruchych – granica wytrzymałości R_m.

Dla materiałów plastycznych – granica plastyczności R_e.

Stop – mieszanina co najmniej dwóch pierwiastków, z których przynajmniej jeden musi być metalem. Podział:

Stopy żelaza z węglem:

Stal,

Staliwo,

Żeliwo.

Stopy metali nieżelaznych:

Stopy aluminium,

Stopy miedzi,

Miedź stopowa,

Brąz,

Miedzionikiel,

Mosiądz,

Stopy niklu,

Stopy molibdenu,

Stopy magnezu,

Stopy tytanu,

Stopy tantalu,

Stopy niobu.

Stal – stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny, o zawartości węgla do 2,06%.

Inne składniki:

Składniki stopowe: m.in. chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan,

Zanieczyszczenia: tlen, azot, siarka, tlenki siarki, tlenki fosforu.

Podział:

Stal narzędziowa:

Węglowa,

Stopowa:

Do pracy na zimno,

Do pracy na gorąco,

Szybkotnąca,

Stal specjalna:

Nierdzewna,

Kwasoodporna,

Magnetyczna,

Odporna na zużycie,

Transformatorowa,

Zaworowa,

Żaroodporna,

Żarowytrzymała.

Staliwo – stal służąca do odlewania, do 1% zawartości węgla i do 1% zawartości typowych dodatków. Ma gorsze własności mechaniczne od stali ale lepsze od żeliwa. Podział:

Węglowe – zawiera tylko węgiel i zanieczyszczenia hutnicze,

Stopowe – zawiera też celowe dodatki innych pierwiastków.

Żeliwo – stop żelaza z węglem o zawartości węgla od 2 do 3,6%

Opisy stopów:

Stal specjalna – nierdzewna: odporna na działanie czynników atmosferycznych, rozcieńczonych kwasów, roztworów alkalicznych; uzyskana przez dodanie chromu (12-25%), zwiększona zawartość węgla powoduje wzrost nierdzewności ale też kruchość; podlega obróbce cieplnej, hartowaniu i odpuszczaniu; zastosowanie: zbiorniki na wyroby ropy naftowej, łopatki turbin parowych, armatura, narzędzia chirurgiczne, żeglarstwo.

Stop miedzi – brąz: głównym składnikiem stopowym (ponad 2%): jest aluminium, cyna, ołów, krzem, beryl i inne (oprócz cynku i niklu); noszą nazwę od głównego składnika stopowego; dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Obróbka cieplna – zespół odpowiednio dobranych zabiegów prowadzących do zmiany właściwości stali poprzez zmiany struktury w wyniku zmian temperatury i czasu. Podział:

Obróbka cieplna zwykła, podział:

Wyżarzanie – zabieg cieplny, polega na nagrzaniu elementu do odpowiedniej temperatury, przetrzymywania go w tej temperaturze i powolnym schłodzeniu; zależnie od temperatury, różny będzie efekt wyżarzania,

Hartowanie – zabieg cieplny dla stali, składa się z dwóch faz: nagrzewanie do ponad 723 stopni (przemiana austenityczna) i wygrzewanie w tej temperaturze by przemiana nastąpiła w całej objętości hartowanego obiektu oraz szybkie (ale nie zbyt szybkie) schładzanie; służy podniesieniu twardości i wytrzymałości stali,

Odpuszczanie – zabieg cieplny dla stali zahartowanej, polega na rozgrzaniu elementu do temperatury 150-650 stopni , przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas i schłodzeniu; usuwa naprężenia hartownicze, zmienia właściwości fizyczne, zmniejsza twardość, zwiększa udarność,

Przesycanie,

Starzenie,

Wymrażanie,

Obróbka cieplno-chemiczna – pod wpływem ciepła i chemicznego oddziaływania modyfikuje się niektóre właściwości chemiczne i fizyczne stopów, podział:

Nawęglanie – nasycenie węglem wierzchniej warstwy stalowego elementu ; używa się stali niskowęglowej do podniesienia twardości powierzchni a zatem odporności na ścieranie,

Azotowanie – nasycenie azotem wierzchniej warstwy stalowego elementu; używa się stali węglowej niskostopowej i stopowej, utwardzając warstwę powierzchniową stali,

Węgloazotowanie – jednoczesne nasycanie powierzchni elementu węglem i azotem, celem jej utwardzenia; używa się stali o małej i średniej zawartości węgla,

Obróbka cieplno-mechaniczna (inaczej cieplno-plastyczna),

Obróbka cieplno magnetyczna.

Kompozyt – materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej materiałów o różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Składa się z osnowy (matrycy) i wypełnienia. Stosuje się je jako materiały konstrukcyjne, m.in. w budownictwie (np. beton, żelbet), w technice lotniczej i astronautyce, w przemyśle środków transportu, w produkcji części maszyn, urządzeń i wyrobów sprzętu sportowego (np. łodzie, narty, tyczki, oszczepy).