1. Budowa ciał stałych: typy wiązań, elementy krystalografii geometrycznej. Struktura krystaliczna metali. Defekty struktury krystalicznej

Typy wiązań (wiązania między atomami):

Pierwotne:

- jonowe

- kowalencyjne (atomowe)

- metaliczne

Wtórne:

- Van der Waalsa

- siłami Londona

- wodorowe

Elementy krystalografii geometrycznej:

Struktura krystaliczna- występuje 7 układów krystalograficznych i 14 typów sieci

- większość metali ma jedną z trzech prostych struktur krystalicznych

- materiały ceramiczne mają szeroki zakres struktury krystalicznej

- tylko mały ułamek polimerów ma strukturę krystaliczną

Geometria komórki elementarnej

Stałe sieciowe (parametry sieciowe)

- długości krawędzi komórki (a, b, c)

- kąty między krawędziami (α, β, γ)

Siedem układów krystalograficznych:

-regularny

- tetragonalny

- rombowy

- trygonalny

- heksagonalny

- jednoskośny

- trójskośny

Elementy krystalografii

-Elementy sieci przestrzennej:

•Węzeł sieci

•Prosta sieciowa: prosta łącząca środki dwóch dowolnych atomów

•Płaszczyzna sieciowa: powstała przez przesunięcie prostej sieciowej o parametr sieciowy w innym kierunku

-Parametr sieci: najbliższa odległość dwóch atomów na prostej sieciowej w komórce prymitywnej

-Liczba koordynacyjna: liczba najbliższych i równo oddalonych atomów od jednego dowolnie wybranego

-Stopień wypełnienia przestrzeni: stosunek objętości przestrzeni zajętej przez sfery atomów do objętości zajmowanej przez komórkę

Budowa kryształów krystalicznych

Rzeczywiste kryształy mają skończone wymiary i zawierają niedoskonałości budowy krystalicznej. Regularność tej struktury zaburzają: defekty o charakterze chemicznym, inne defekty.

Defekty struktury krystalicznej:

1). Defekty punktowe- są to zaburzenia sieci krystalicznej o zasięgu wymiarów atomów (jonów).

• Typy defektów punktowych:

1. wakancja (wakans, luka)- brak atomu (jonu) w węźle sieci

2. atom (jon) w położeniach międzywęzłowych

3. atom obcy węzłowy

4. atom obcy międzywęzłowy

5. defekty ładunków (elektrony i dziury)

• Lokalne odkształcenia sieci przestrzennej kryształu:

- kontrakcja (luka lub obcy atom węzłowy o promieniu mniejszym od promienia atomu macierzystego)

- ekspansja (obcy atom węzłowy o promieniu większym od promienia atomu macierzystego; atom obcy lub macierzysty międzywęzłowy).

Defekty mają istotny wpływ na własności fizyczne i mechaniczne metali. Defekty punktowe mogą powstawać samorzutnie (drgania cieplne atomów).

2). Dyslokacje (defekty liniowe)- powstają pod wpływem naprężeń statystycznych- podstawowe znaczenie w odkształceniu plastycznym. Wyróżnia się dyslokacje:

a) krawędziowa- przemieszczenie atomów następuje w kierunku prostopadłym do krawędzi nacięcia

b) śrubowa- przemieszczenie atomów następuje w kierunku równoległym do krawędzi nacięcia

c) mieszane- wywołuje ją dodatkowa półpłaszczyzna w przestrzennej sieci krystalicznej, obsadzona atomami, której krawędź stanowi dowolna linia brzegowa, nazywana linią dyslokacji. Wokół dyslokacji krawędziowej występuje jednocześnie postaciowe i objętościowe zniekształcenie kryształu.

3). Defekty powierzchniowe- granice ziaren (dwuwymiarowe zaburzenia struktury krystalicznej):

- granice ziaren jednofazowe

- granice międzyfazowe (koherentne, półkonherentne, półkonherentne z dyslokacjami dopasowującymi).

2. Metale i stopy metali

80 pierwiastków (ze 103) to metale- rzadko stosowane jako czyste metale, najpopularniejsze stopy: Fe: stale, żeliwa; Cu: brązy, mosiądze; Al.: durale, siluminy; Ni; Ti.

Cechy metali i ich stopów:

- dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne

- dodatni temperaturowy współczynnik oporu

- plastyczność, ciągliwość czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem naprężeń

- duża sztywność

- odporność na pękanie (na obciążenia dynamiczne)

- połysk metaliczny wynikający z odbijania promieni słonecznych od wypolerowanych powierzchni.

Czyste metale- mała wytrzymałość mechaniczna

Stopy- duża wytrzymałość mechaniczna- materiały konstrukcyjne

Wady metali i stopów: mała odporność chemiczna i korozja.

Otrzymywanie metali i ich stopów:

Procesy technologiczne:

- ekstrakcja metalu z rudy (procesy redukcji)

- rafinacja- usuwanie z metalu zanieczyszczeń

Elementy metalowe:

- metody odlewnicze, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, metalurgia proszków

- metody inżynierii powierzchni (uszlachetnianie powierzchni gotowych elementów), np. zwiększanie odporności na korozję lub odporności na zużycie.

3. Materiały spiekane i ceramiczne - szkło, ceramika tradycyjna, nowe materiały ceramiczne

Materiały ceramiczne:

- materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach

- połączenia metali i 7 kluczowych pierwiastków niemetalicznych

- wytwarzane zwykle w wysokich temperaturach.

Struktura materiałów ceramicznych:

- podobnie jak metale mają budowę krystaliczną

- szkła- struktura niekrystaliczna: MATERIAŁY AMORFICZNE najczęściej szkła krzemionkowe , np. szkło okienne, CaO kruche (jak ceramiki krystaliczne), przezroczyste, odporne chemicznie.

Przeprowadzenie ze stanu szklistego w krystaliczny (dewitryfikacja, odszklenie): przez obróbkę cieplną.

MATERIAŁY CERAMICZNE I SZKŁA:

- głównie tlenki lub związki chemiczne z C, N, P, S

- podstawowe składniki: Al₂O₃, SiO₂, MgO, SiC, Si₃N₄

- mają małą przewodność elektryczną i cieplną

- wytrzymałość mechaniczna:

a) dobra zdolność do przenoszenia obciążeń ściskających

b) słaba ciągliwość i odporność na pękanie

- odporne na korozję

- odporne na wysokie temperatury.

4. Własności mechaniczne. Wpływ struktury i defektów struktury na własności

Własności mechaniczne:

Podstawowym czynnikiem weryfikującym materiały inżynierskie jest działanie sił (naprężeń). Naprężenia mogą zmieniać wymiary (liniowe, kątowe) lub ciągłość materiału.

Podstawowe właściwości mechaniczne określające zachowanie materiału

W warunkach obciążeń statycznych:

- wytrzymałość na rozciąganie

- moduł sprężystości

- granica plastyczności

- twardość

- odporność na pękanie

- ciągliwość

Pod wpływem innych obciążeń:

- udarność (obciążenia dynamiczne)

- wytrzymałość na zmęcznie (obciążenia zmieniające się cyklicznie)

- wytrzymałość na pełzanie (wpływ wysokich temperatur)

5. Własności korozyjne

Korozja- proces niszczenia metalu spowodowany jego niezamierzoną reakcja chemiczną lub elektrochemiczną ze środowiskiem zewnętrznym.

Ze względu na mechanizm powstawania rozróżnia się:

- korozję elektrochemiczną, zachodzącą w środowiskach wilgotnych w wodzie i roztworach wodnych, w glebie, w wilgotnej atmosferze oraz w stopionych solach i żużlach

- korozję chemiczną, zachodzącą w suchych gazach oraz bezwodnych cieczach organicznych

- korozjo- erozję (zużycie korozyjne), zachodzącą w stopionych metalach w wyniku fizycznego rozpuszczenia.

Korozja chemiczna występuje wskutek działania na metale ciekłych nieelektrolitów i suchych gazów i zachodzi pod wpływem reakcji chemicznej na granicy faz. Korozję chemiczną dzieli się na: korozję metali w nieelektrolitach i na korozję wysokotemperaturową (gazową).

---