Materiał - podstawowe tworzywo z którym mają do czynienia inżynierowie każdej specjalności. Do podstawowych materiałów stosowanych w technice zaliczamy metale i ich stopy, spieki, tworzywa sztuczne i kompozyty, materiały ceramiczne, farby, kleje.

Na zastosowanie materiałów mają wpływ ich własności, które często zależą od czynników zewnętrznych.

Należą do nich:

• sposoby obciążenia (statyczny, dynamiczny, zmienny, w zakresie sprężystym czy plastycznym),

• temperatura pracy,

• otaczająca atmosfera,

• korozja,

• uszkodzenia radiacyjne.

Istotny wpływ na własności materiałów ma struktura oraz metoda ich wytwarzania.

Struktura jest to sposób ułożenia atomów, faz czy ziarn w przestrzeni lub na powierzchni płaskiego zgładu z uwzględnieniem ich relacji, wielkości, kształtu i orientacji. Struktura może być krystaliczna (gdzie atomy ułożone są w pewnym geometrycznym porządku) lub bezpostaciowa (amorficzna - atomy ułożone w sposób chaotyczny). Może być jednofazowa lub wielofazowa, przy czym własności zależą nie tylko od udziału poszczególnych faz, ale również od stopnia ich dyspersji oraz kształtu. Materiały wielofazowe mają przeważnie lepsze własności wytrzymałościowe niż jednofazowe. Również im większa drobnoziarnistość i jednorodność, tym materiał ma lepsze własności.

W przypadku np. polimerów istnieje silna zależność między strukturą a własnościami. Własności duroplastów, które są usieciowane przestrzennie są całkiem inne niż termoplastów , które posiadają budowę łańcuchową. Również w przypadku metali, które mają w większości przypadków strukturę krystaliczną własności gotowego wyrobu bardzo silnie zależą od sposobu jego otrzymania oraz obróbki. Np. metale poddane obróbce plastycznej na zimno mają większą wytrzymałość niż odkształcane na gorąco ale za to mniejszą plastyczność. Również zmiana warunków zewnętrznych (temperatury, ciśnienia) może spowodować w materiale przemianę fazową powodującą zmianę własności.

Do cech materiału zaliczanych szczególnie ważnych ze względu użytkowym zaliczamy:

Własności mechaniczne:

1. Własności wytrzymałościowe:

• granica sprężystości jest to maksymalne naprężenie, poniżej którego materiał odkształca się sprężyście i nie wykazuje odkształceń plastycznych.

• granica plastyczności:
  

• wytrzymałość na rozciąganie:
  

• wydłużenie (A₅ , A₁₀):
  

• przewężenie:
  

gdzie:

2. Twardość jest to opór jaki stawia badany materiał odpowiednio dobranemu wgłębnikowi (kulka, stożek, ostrosłup). Pomiary są nieniszczące i można je podzielić na statyczne do których zaliczamy metody Brinella, Rockwella, Vickersa i dynamiczne np. metoda Poldi. Są często stosowane do kontroli materiału ponieważ istnieje no ogół ścisła zależność między jego twardością
   a wytrzymałością.

3. Udarność i odporność na pękanie.

4. Wytrzymałość zmęczeniowa jest to odporność materiału na pękanie w warunkach zmiennych naprężeń. Element poddany zmiennemu naprężeniu może ulec zniszczeniu przy niższych naprężeniach niż poddany jednokierunkowemu naprężeniu statycznemu.

Własności technologiczne (przydatność do określonych procesów technologicznych):

• technologiczna próba zginania,

• przeciąganie,

• tłoczliwość,

• spłaszczanie,

• skręcanie i nawijanie drutów,

• hartowność,

• spawalność,

• lejność.

Zespół cech umożliwiających zachowanie niezmiennych w czasie właściwości:

• odporność na korozję,

• odporność na erozję,

• odporność na kawitację,

• odporność na ścieranie

• odporność na podwyższoną temperaturę.

Spójność ciał stałych jest wynikiem działania sił przyciągania między atomami lub cząsteczkami. Rozróżniamy następujące rodzaje wiązań:

• wiązania jonowe (heteropolarne) - polega na elektrostatycznym przyciąganiu między dodatnimi i ujemnymi jonami (np. cząsteczka NaCl),

• wiązania kowalencyjne: zwane atomowym lub homeopolarnym, w którym atomy posiadają wspólne elektrony (Cl, diament),

• wiązania cząsteczkowe siłami van der Waalsa, których źródłem są dipole elektryczne,

• wiązania metaliczne: tworzą je dodatnie jony i poruszające się między nimi swobodne elekltrony.

W zależności od budowy kryształy można zaliczyć do następujących układów krystalograficznych:

• regularny,

• tertagonalny,

• rombowy,

• romboedryczny,

• heksagonalny,

• jednoskośny,

• trójskośny.

Charakteryzują je następujące parametry:

• długości krawędzi,

• kąty między krawędziami,

• rodzaj, liczba i położenie atomów, jonów lub cząsteczek wchodzących w skład elementarnej komórki.

Oprócz tego wewnątrz każdej komórki elementarnej (tworzącej kryształ) mogą występować dodatkowe atomy.

Istnieje kilka kryteriów klasyfikacyjnych materiałów konstrukcyjnych. Jednym z nich jest klasyfikacja oparta na charakterze dominującego wiązania działającego między cząsteczkami materii. Można więc wyróżnić:

1. Materiały metaliczne: charakteryzujące się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz różną odpornością na korozję. Ich wadą jest duży na ogół ciężar właściwy. Posiadają dobre własności technologiczne oraz poprzez ich łączenie możliwość nadawania wymaganych własności (stopy). Zaliczamy tutaj metale i ich stopy stanowiące podstawowe tworzywo w przemyśle maszynowym i konstrukcyjnym.

2. Materiały ceramiczne: charakteryzujące się dużą twardością i kruchością oraz dużą trwałością chemiczną i termiczną. Posiadają dużą wytrzymałość na ściskanie i małą na rozciąganie i zginanie. Nie mają dobrych własności technologicznych i metody wytwarzania są bardzo zróżnicowane i dostosowane do specyfiki danego materiału. Przeważnie stosuje się wypalanie, wytapianie (szkło) i metody metalurgii proszków. Zawierają pierwiastki metaliczne i niemataliczne. Zaliczamy tutaj np. cegły porcelanę, materiały ogniotrwałe, szkło materiały narzędziowe, cermetale, nadprzewodniki, ferryty.

3. Materiały polimeryczne: zaliczamy tutaj tworzywa sztuczne, charakteryzujące się dość dobrymi własnościami mechanicznymi oraz odpornością na działanie czynników chemicznych. Mają z reguły niska odporność na działanie temperatur rzędu 200-300⁰C. Poprzez tworzenie kompozytów można znacznie polepszyć ich własności i zakres zastosowania. Tworzywa nowej generacji skutecznie konkurują z materiałami metalicznymi.

1

3

Materiałoznawstwo - wstęp

Jan Wrona Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Krakowska

---