MATERIAŁY to 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, dzieła sztuki, itd. Wyróżniamy trzy główne grupy materiałów: metale, m.ceramiczne, polimery, kompozyty. Metale i stopy metali 80 pierwiastków w układzie okresowym to metale, wśród których wiele, np. żelazo, miedź, aluminium, mangan, nikiel, kobalt, tytan, srebro, złoto, platyna mają znaczenie użytkowe. Stopy metali to substancje składające się z co najmniej 2 pierwiastków, z których przynajmniej 1 w przeważającej ilości jest metalem.

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

-dobrą przewodnością cieplną i elektryczną,

-plastycznością- zdolnością do trwałych odkształceń,

-połyskiem- zdolnością od 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. 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. Narzędzia skrawające stosuje się w wielu przypadkach z powodzeniem zastępującym metale, tworzywa ceramiczne, diament, korund (Al₂, O₃),węglik i azotek krzemu. Dużą grupę materiałów ceramicznych stanowi tzw. ceramika specjalna. Tworzywa ceramiczne charakteryzują się:

-odpornością na działanie wysokiej temp. i na wstrząsy cieplne,

-odpornością na działanie czynników chemicznych,

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

-własnościami dielektrycznymi.

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 własności są pośrednie pomiędzy własnościami stanu ciekłego i stanu stałego. Cechują się one:

-dobrą przepuszczalnością promieni widzialnych,

-dużą wytrzymałością na ściskanie,

-małą wytrzymałością na zginanie,

-mały współczynnik rozszerzalności,

-dobre właściwości elektroizolacyjne,

-odporność na czynniki atmosf. I kwasy.

POLIMERY (tworzywa wielkocząsteczkowe) są materiałami organicznymi, zbudowanymi ze związków węgla z wodorem i innymi pierwiastkami. Mają budowę łańcuchową złożoną z powtarzających się elementów zwanych merami. Poza tym w skład polimerów wchodzą dodatki pomocnicze jak: wypełniacze, stabilizatory, zmiękczacze, barwniki itp.

Tworzywa sztuczne: elastomery (cechujące się wydłużeniem powyżej 100% i zdolnością do powrotu do pierw. Wymiarów) i plastomery (o wydłużeniu mniejszym niż 100%, które po odkształceniu plastycznym często ulegają mechanicznemu zniszczeniu). Plastomery dzielimy na: -termoplasty (termoplastyczne polimery amorficzne i krystaliczne), -duroplasty (polimery termo- i chemoutwardzalne). KOMPOZYTY to materiały złożone z co najmniej 2 składników o różnych własnościach, tak aby powstał materiał o własnościach lepszych lub innych niż poszczególne składniki. Jednym ze składników jest zbrojenie, mające za zadanie przejmować obciążenia, np. mechaniczne, zaś 2 składnikiem jest tzw. osnowa spajająca w całości elementy zbrojące. BUDOWA MATERIAŁÓW: 1 atom i cząsteczka, 2 kom. elementarna, 3 kryształ, 4 mikrostruktura, 5 makrostruktura.

KOMÓRKA ELEMENTARNA jest najmniejszym elementem sieci krystalicznej. Większość metali o znaczeniu technicznym krystalizuje się w jednym z 3 następujących układów krystalograficznych:

-regularnym o sieci ściennie centrowanej- RSC,

-regularnym o sieci przestrzenie centrowanej- RPC,

-heksagonalnym o sieci zwartej- HZ

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 at. lub cz. Pojawia się on przy niskiej szybkości chłodzenia ciekłego metalu. Atomy lub cząsteczki układają się względem 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 otrzymuje się szkło metaliczne. Rzeczywista struktura kryształów. Struktura krystaliczna materiałów różni się od modelu idealnego- występujące w nich różnice nazywane są defektami (wadami) struktury krystalicznej. W zależności od rozmiarów obszarów kryształu o zaburzonej budowie defekty struktury krystalicznej podzielić można na:1punktowe,2liniowe,3powierzchniowe. Defekty punktowe stanowią nie obsadzone przez at. lub cz. węzły sieci kryształu. Atomy w kryształach znajdują się w ruchu drgającym wokół położeń równowagi(węzłów sieci). Przejście atomu na powierzchnię kryształu (defekt Schottky'ego) lub na pozycję międzywęzłową (defekt Frenkla) powoduje nieobsadzenie węzła sieci przestrzennej i utworzenie wakansu (luki). 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. Defekty punktowe powodują lokalne zniekształcenie sieci kryształu, konstrukcję i ekspansję. Defekty liniowe występujące w strukturze kryształów, to dyslokacje. Rozróżnia się 2 podstawowe modele dyslokacji: 1krawędziową, 2śrubową.

Dyslokacja krawędziowa- powstaje w krysztale w wyniku wprowadzenia dodatkowej płaszczyzny atomowej zwanej ekstrapłaszczyzną. Dyslokacja śrubowa- powstaje w wyniku wzajemnego przesunięcia płaszczyzn atomowych. Defekty powierzchniowe występują w materiałach polikrystalicznych; stanowią one granice pomiędzy poszczególnymi ziarnami w materiale. WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁU-to zespół charakterystycznych cech określających reakcję tworzywa na czynniki zewnętrzne( np. obciążenie, temp.). Właściwość materiału można określić jako pewną stałą wielkość, zależną wyłącznie od natury materiału, nie związaną z jego kosztem i wymiarami. W technice wyodrębnia się właściwości fizyczne, chemiczne i użytkowe materiału.

Właściwości mechaniczne charakteryzują reakcje na obciążenia zewn. materiału. Reakcją materiału na obciążenia 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 naruszenia wewnętrznej spójności; jest jedną z głównych właściwości tworzyw, szczególnie konstrukcyjnych. Właściwości mechaniczne materiałów zależą od składu chemicznego, struktury i temperatury. Właściwości fizyczne określają zachowanie się materiału polu oddziaływania czynnika fizycznego. Właściwości chemiczne określają najczęściej zdolność (lub jej brak) wchodzenia materiału w reakcje chemiczne ze środowiskiem. Najbardziej typowym przykładem jest odporność korozyjna tworzywa. Właściwości użytkowe decydują o zachowaniu się materiałów podczas eksploatacji wykonanych z nich maszyn i urządzeń.

Podstawową próbą umożliwiającą określenie właściwości wytrzymałościowych i plastycznych jest statyczna próba rozciągania. Rm-maksymalna wytrzymałość na rozciąganie czyli naprężenie normalne w próbce jako stosunek największej siły rozciągającej Fm do pola powierzchni przekroju początkowego próbki So Rm=Fm/So

RE-wyraźna granica plastyczności czyli naprężanie rozciągające w próbce przy osiągnięciu którego występuje wyraźny wzrost jej wydłużenia przy ustalonej lub nieco zmniejszonej sile rozciągającej Me=Fe/So Ro,2-umowna granica plastyczności czyli naprężanie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwale x=0,2% Ro,2=Fo,2:So

Właściwości plastyczne materiałów wyznaczane w statycznej próbie rozciągania określa się na podstawie wydłużenia i przewężenia. Wydłużenie - stosunek trwałego wydłużenia bezpośredniego próbki po rozerwaniu ΔL do długości pomiarowej Lo wyrażonym w procentach Ap-(ΔL/Lo)*100%. Przewężenie - stosunek zmiejszenia pola pow. Przekroju poprzecznego próbki w miejsu rozerwania do pola pow. Jej przekroju pierw., wyrażony w %. Z=[(So-Su)/So]*100%. Spawalność jest to podatność mat. Do tworzenia złączy spawanych o właściwościach zbliżonych do właściwości mat. rodzimego. Właś.tę rozważa się w odniesieniu do metali i tworzyw sztucznych. Spawanie polega na spajaniu materiałów przez stapianie brzegów w miejscu łączenia z dodaniem lub bez dodawania stopionego mat. tego samego rodz.zw. spoiwem. (spawanie elektryczne i gazowe). Spawalność zależy od rodzaju spawanego mat. składu chem. I struktury. W przyp stali istotną rolę odgrywa ponadto jej hartowność tj. zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temp. austenityzowania. Efekty procesu spawania zal poza tym od: *cech konstrukcji spawanej(sztywności konstrukcji, grubości części spawanych, rozmieszczenia spoin, koncentracji naprężeń) *technologii spawania(rodzaju procesu spawania, zastosowanego spoiwa, źródła ciepła, szybkości spawania, kolejności wykonywania spoin, temp konstrukcji i otoczenia).Niedostateczna spawalność np. stali objawia się pojawieniem się mikropęknięć wzdłuż spawanego złącza w strefie wpływu ciepła tj w materiale w pobliżu spoiny który w czasie spawania ulega nagrzaniu i określonym zmianom struktury. Szczelność jest to opór jaki stawia ścianka wyrobu z danego materiału przenikaniu przez nią cieczy lub gazu. Podstawowym czynnikiem określającym szczelność wyrobów jest obecność w nich porów i rzadzizn. Szczelności wymaga się od elementów maszyn i urządzeń znajdujących się w czasie eksploatacji pod działaniem wysokiego ciśnienia cieczy lub gazu. Odporność na zużycie mechaniczne. TARCIE- zjawisko powstawania siły hamującej ruch względem siebie 2 ciał stykających się wzdłuż pewnej powierzchni. Tarcie występuje powszechnie i ma podstawowe znaczenie w przyrodzie i technice. Jest niezbędne do poruszania się istot żywych i pojazdów umożliwia wykonanie pracy. W technice tarcie jest podstawą działania wielu urządzeń m.in. przekładni parowych, hamulców, sprzęgieł. Tarcie jest jednak często zjawiskiem niepożądanym gdyż powoduje znaczne straty energii na pokonanie oporów tarcia, a przede wszystkim jest przyczyną zużywania się elementów maszyn prowadzącego nierzadko do ich zniszczenia. Mimo złożoności procesu ścierania wszystkie rodzaje zużycia mat. można sklasyfikować nast.: *zużycie przez ścieranie w wyniku dynamicznego oddziaływania cząstek stałych na elementy maszyn(zużycie abrazyjne) *zużycie przy tarciu suchym *zużycie przy tarciu ze smarowaniem. Zużycie abrazyjne jest procesem zdzierania i ścinania warstwy materiału zachodzącym w warunkach: *odkształcania i ścierania przy dużych naciskach ziarnistego materiału ścierającego *wyrywania i scierania przy małych naciskach wywieranych przez cząstki 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 itp.) zużycie przy tarciu ze smarowaniem jest najczęściej spotykanym rodzajem niszczenia współpracujących mat. Ulegają mu cylindry i pierścienie tłokowe, wały i łożyska, części obrabiarki 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 temp. KOROZJA jest elekrochemicznym lub chemicz. procesem utleniania się mat. co prowadzi do bezpowrotnego ubytku powodującego zmniejszenie zdolności elementu do przenoszenia obciążeń. Straty powodowane przez korozję są olbrzymie i stanowią obecnie wraz ze stratami wskutek zużycia mechanicznego podstawowy problem w gospodarce surowcowo-materiałowej. Korozja elekrochemiczna występująca podczas kontaktu mat. z elektrolitami. Rozróżnia się: *Korozję równomierną określoną na podstawie ubytku mat. wyrażanego w (g/m2)/godz lub mm/rok *K miejscową powodującą wyjątkowo duże ubytki mat,. w oddzielnych miejscach; szczególnym przypadkiem tej korozji jest korozja wżerowa; jest to szczególnie niebezpieczny rodzaj korozji gdyż jakkolwiek ilość skorodowanego mat. może być mała to straty materialne(zniszczenie urządzeń, zwłaszcza zbiorników cieczy i gazów rurociągów itp.)bywają duże. *K strefową polegająca na selektywnym niszczeniu poszczególnych składników struktury mat. *K międzykrystaliczną wyst. na granicach ziarn; spowodowaną wydzielaniem się nowej fazy zmieniającej skład chem. mat. Jest wiele metod ochrony metali przed korozją elektrochem.Do najważniejsz.nal.: *dobór składu chem. I struktury wyrobów do warunków eksploatacji *ochrona elekrochem(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 i in) *stosowanie ihibitorów procesu korozji tj substancji ograniczających agresywność środowiska korozyjnego (anodowe, katodowe, mieszane, lotne). KOROZJA CHEMICZNA jest powodowana utleniającym oddziaływaniem na mat. atmosfery powietrza i innych środowisk zawierających tlen lub tlenki(np. spalin piecowych). Ten rodzaj korozji nosi też nazwę k.gazowej, a odporność na nią zalicza się nieraz do grupy właściwości użytkowych związanych z oddziaływaniem podwyższonej lub wysokiej temp. UTLENIENIE jest procesem reagowania składników mat. poddanego działaniu atmosfery powietrza lub spalin piecowych z tlenem bądź z tlenem związanym np. w postaci CO2 lub H2O(para wodna) Ochrona przed k.gazową (chem.)sprowadza się do: *wprowadzania do metalu atomów pierwiastków tworzących na jego powierzchni warstwę tlenków, które chronią metal przed dalszym utlenianiem *tworzenia z podstawowym metalem mieszaniny tlenków charaktr. Się właściwościami ochronnymi lepszymi w porównaniu tlenkami czystego pierwiastka wprowadzonego do metalu. Żaroodporność to odporność mat. na utlenianie w wysokiej temp.(odporność na działanie wysokiej temp) Żarowytrzymałość obejmuje zdolność mat. do zachowania właściwości mechanicznych w podwyższonej temp.(i wysokiej)oraz do zachowania w tych warunkach wymiarów geometrycznych(zwaną też odpornością na pęcznienie) Szczególnie niebezpieczne dla elementów maszyn i urządzeń są cyklicznie się powtarzające zmiany temp. wywołujące zmęczenie cieplne. Typowymi przykładami elementów od których wymaga się zwiększonej odporności na tego rodzaju obciżąenia cieplne są: *tarcze i bębny hamulcowe *głowice bloków cylindrów wysokoprężnych silników Diesla wykładziny ceramiczne metalurgicznych Pełzaniem nazywa się zjawisko plastycznego odkształcenia elementów maszyny lub urządzenia poddanych długotrwałemu działaniu obciążeń statycznych w stałej temp. Zjawisko to nasila się w miarę podwyższenia temp. Zasadniczy wpływ wywiera w tym przypadku czas działania obciążenia. Stal - stop żelaza z węglęm i innymi pierw.; o zawartości węgla do 2,06%( inne pierw: miedź, tytan, fosfor, siarka, Cr, Ni, Ti; P,S<0,035%). Stop do przeróbki plastycznej (druty, pręty). Staliwo - taki sam ukł. Chem. Jak stal, stop odlewniczy, stop do różnego rodzaju form; po ostygnięciu odlew można jeszcze obrabiać. Żeliwo - stop żelaza z węglem i innymi pierw (Cr, Ni, Mn, Nb, Ti, Co, Si, W) o zawartości węgla od 2,11% do 4,4% w postaci cementytu lub grafitu. Nie przerabia się plastycznie; wyłącznie stopem odlewniczym. Czyste metale są bardzo plastyczne i odznaczają się dużą ciągliwością dlatego można je odkształcać plastycznie w celu nadania im wymaganego kształtu. Udarność - odporność materiału na obciążenia dynamiczne. Próba udarności polega na złamaniu 1 uderzeniem młotka wahadłowego charpy'ego próbki z karbem, podpartej swobodnie na obu końcach i pomiarze en. Jej złamania. KC=K(praca łamania)/So(pole pow. Jej przekroju poprzecznego w miejscu złamania). Twardością nazywa się odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię materiału. ROZMARY STREFY ODKSZTAŁ.: Pomiary makrotwardości - strefa odkształcenia obejmuje większą liczbę ziarn, p. mikrotwardości-stosowane do oznaczenia twardości oddzielnych krystalitów. RODZAJ I KSZT. WGŁĘBNIKA: t. Brinella-wgłębnikiem jest kulka stalowa HB (im większe naprężenie tym większa twardość), t. Rockwella - stożek diamentowy, kulka stalowa HRA, HRB, HRC, t. Vickersa-ostrosłup diamentowy HV. Skrawalność - podatność materiału na obróbkę skrawaniem. Stopień skrawalności zależy od warunków obróbki. Główny wpływ na skrawalność materiału wywiera jego skł. Chem, struktura i wł. Mechaniczne. Zwiększenie wytrzymałości pogarsza skrawalność.

---