POLITECHNIKA OPOLSKA

Wydział Mechaniczny

WSPÓŁCZESNE MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

MATERIAŁY NIEŻELAZNE

Wykonał: Wieliczko Bartosz

I MiBM, II stopnia, NS

SPIS TREŚCI

1. Aluminium i jego stopy
   

Metal, który krystalizuje się w sieci Al, a więc cechuje się dużą plastycznością. Ma parametr sieci a = 0,40408 nm, temperaturę topnienia 660,4 C, temperaturę wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 Mg/m³. Można go zakwalifikować do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7'%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i transporcie.

Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym (gorszym jednak niż miedź), stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne.

Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości najczystszy gatunek A199,995R jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych; gatunek A199,8H stosuje się na folie, powłoki kablowe i do plate­rowania; A199.5HE na przewody elektryczne; A199 na wyroby codziennego użytku. Do najczęstszych zanieczyszczeń aluminium należą Fe, Si, Cu, Zn, Ti, które obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, nato­miast zwiększają twardość i wytrzymałość.

Aluminium przerabia się plastycznie — walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże po­winowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminoterrnii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożyw­czym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Stopy aluminium

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą.

Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udar­ność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową.

Stopy aluminium dzieli się na odlewnicze oraz do obróbki plastycznej. Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych np. krzemem, krzemem i magne­zem i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycz­nej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok..5°/o), magnez (do ok. 6%) i mangan (do l,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościo­we nie są gorsze niż wielu stali.

Stopy odlewnicze

Są odlewane w formach piaskowych, kokilach lub jako odlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształ­tach. Mają one jednak własności mechaniczne gorsze niż po przeróbce pla­stycznej.

Siluminy Są to typowe stopy odlewnicze aluminium z krzemem (np. AlSi11 — AK11). Aluminium tworzy z krzemem układ eutektyczny z ograniczoną rozpuszczalnością krzemu (1,65% w temp. 577°C) i bardzo małą rozpuszczalnością aluminium w krzemie. W stopach o zawartości 12,6% Si występuje eutektyka o temperaturze topnienia 577°C. Silumin o składzie zbliżonym do eutektycznego ma bardzo dobre własno­ści odlewnicze, cechuje się dobrą lejnością, małym skurczem i nie wy­kazuje skłonności do pękania na gorąco. Jego wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pier­wotnymi kryształami krzemu (rys. 15.3), co prowadzi do znacznego obni­żenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie.

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej to głównie wielofazowe durale miedziowe z dodatkiem magnezu, manganu lub krzemu, np. AlCu4MgSi, AlCu2Mg2Ni1. Strukturę ich stanowi roztwór podstawowych dodatków stopowych w aluminium i wydzielenia faz międzymetalicznych, jak Al₂Cu, Mg₂Cu, Al₂CuMg, które uzyskuje się przez obróbkę cieplną i utwardzanie dyspersyjne dzięki wyraźnie zmiennej rozpuszczalności Cu i Mg w Al. Utwardzanie dyspersyjne durali składa się z przesycenia i starzenia naturalnego bądź sztucznego i daje w efekcie prawie podwójną wytrzymałość. Durale nie są odporne na korozję i musza być zabezpieczone przed korozją przez proces utleniania anodowego lub przez platerowanie technicznym aluminium.

Wprowadzenie cynku (dural cynkowy) jako głównego dodatku stopowego pozwala po utwardzeniu dyspersyjnym uzyskać właściwości mechaniczne o 50% lepsze w stosunku do durali miedźiowych, niestety kosztem dalszego zmniejszenia odporności na korozję.

Oprócz durali stosuje się w grupie stopów przerabianych plastycznie stopy o mniejszej zawartości składników ; charakteryzują się one dobrą odpornością na korozję, dobrą plastycznością w stanie wyżarzonym i umacnia się je głównie przez zgniot. Należą tu jednofazowe stopy Al.-Mn (alumany), nie podlegające utwardzeniu dyspersyjnemu lub Al.-Mg (hydronalia), lub utwardzane dyspersyjnie stopy z magnezem i krzemem (aldrey, antikorodal).

2. Miedź i jej stopy.

Miedź występuje w przyrodzie w postaci rodzimej oraz w rudach siarczkowych. Jest pierwiastkiem odznaczającym się bardzo dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz znaczną plastycznością lecz niewielką wytrzymałością na rozciąganie, którą można zwiększyć przez obróbkę plastyczną na zimno. Ma barwę różowoczerwoną, temperaturę topnienia 1083°C. W wilgotnym powietrzu miedź pokrywa się warstewką patyny, która jest zasadowym węglanem miedzi CuCO3·Cu(OH)2, zabezpieczającym w pewnym stopniu materiał przed dalszą korozją. Atmosfera przemysłowa zawierająca SO2 lub NH3 działa na miedź agresywnie. Norma PN-92/H-82120 obejmuje dziesięć gatunków miedzi otrzymywanych metodą rafinacji elektrolitycznej i ogniowej, a różniących się stopniem zanieczyszczenia oraz przeznaczeniem.

W zależności od sposobu otrzymywania, miedź może zawierać różne ilości zanieczyszczeń. Miedź hutnicza może zawierać 0,5 ÷ 1%, rafinowana ogniowo 0,1 ÷ 0,5%, a miedź katodowa oczyszczona przez elektrolizę 0,05% zanieczyszczeń.

Zanieczyszczenia miedzi, takie jak: O, Bi, Pb, S, występujące w postaci wtrąceń (wobec pomijalnej rozpuszczalności w stanie stałym), powodują kruchość metalu. Natomiast Sb, Fe, As, P tworzą roztwory stałe i z tego powodu są niewykrywalne metalograficznie. Do bardzo szkodliwych zanieczyszczeń miedzi należy tlen. Tlen dostaje się do miedzi w procesie topnienia. Występuje w miedzi w postaci trwałego do temperatury 380°C tlenku miedziowego CuO, natomiast powyżej temperatury 380°C trwały jest tlenek miedziawy Cu2O.

Struktura miedzi utlenionej zależy od zawartości tlenu. Przy małych zawartościach tlenu (stop podeutektyczny), na wytrawionym szlifie obserwuje się jasne kryształy miedzi na tle ciemniejszej eutektyki (Cu + Cu2O). Przy większym stopniu utlenienia stop może posiadać strukturę eutektyczną lub nadeutektyczną. W czasie wyżarzania miedzi utlenionej w atmosferze redukującej (np. gaz świetlny) - wodór dyfunduje w głąb miedzi i reaguje z tlenkiem miedziawym. Powstająca cząsteczka pary wodnej, ze względu na wysoką temperaturę i dużą prężność prowadzi do spadku plastyczności i powstawania mikropęknięć (tzw. choroba wodorowa miedzi). Dopuszczalna zawartość tlenu w miedzi zależy od jej gatunku i waha się w granicach od 0,001% dla miedzi próżniowej do 0,15% dla miedzi odlewniczej.

Miedź beztlenowa znajduje zastosowanie głównie w przemyśle elektrotechnicznym, elektronicznym i telekomunikacyjnym. Małą wytrzymałość miedzi powiększa się stosując tzw. miedź przewodową, którą jest stop Cu z 1% dodatkiem Cd (przewody trakcyjne) albo z 0,1% Mg (druty nawojowe, przewody instalacyjne). Na napowietrzne przewody trakcyjne albo linie wysokiego napięcia stosuje się niekiedy znacznie wytrzymalsze bimetaliczne druty o rdzeniu stalowym i powłoce z miedzi (wykorzystanie zjawiska naskórkowości).

Miedź w postaci blach lub rur używana jest również do wyrobu aparatury chemicznej (wymienniki ciepła, zbiorniki, przewody).

Do najważniejszych stopów należą:

Mosiądze - są to stopy miedzi z cynkiem,

Brązy - stopy miedzi z takimi pierwiastkami, jak: Sn, Al, Si, Mn, Be, Pb

Miedzionikle - stopy miedzi z Ni.

Stopy miedzi z cynkiem

Mosiądzami nazywane są stopy miedzi z cynkiem jako głównym składnikiem. Mosiądzami zwykłymi nazywa się stopy zawierające tylko miedź i do 45% cynku. Jeżeli mosiądze zawierają oprócz miedzi i cynku inne dodatki stopowe, wówczas nazywane są mosiądzami

wieloskładnikowymi. Na podwójnym układzie Cu-Zn występuje sześć różnych faz, z których praktyczne znaczenie mają dwie:

α - roztwór stały cynku w miedzi o sieci A1 i wzrastającym parametrze sieci wraz ze wzrostem zawartości cynku;

β - roztwór stały na bazie fazy międzymetalicznej Cu-Zn.

Praktyczne zastosowanie znalazły stopy, które przy temperaturze otoczenia mają strukturę roztworu stałego α + β. Powyżej 45% Zn mosiądze stają się kruche i nie nadają się zarówno do przeróbki plastycznej, jak i na odlewy.

Z uwagi na budowę strukturalną mosiądze zwykłe dzieli się za trzy grupy:

a) mosiądze jednofazowe α w całym zakresie temperatur, zawierające do 32% Zn;

b) mosiądze przejściowe zawierające 32 ÷ 39% Zn;

c) mosiądze dwufazowe α + β, zawierające 39 ÷ 45% Zn.

Mosiądze do przeróbki plastycznej

Ogólnie, ze względu na przeróbkę plastyczną mosiądze można, w zależności od zawartości cynku, podzielić na zawierające:

do 30% Zn - do przeróbki plastycznej na zimno;

35 ÷ 40% Zn - do przeróbki plastycznej na zimno i gorąco;

41 ÷ 45% Zn - do przeróbki plastycznej na gorąco.

Zastosowanie wymienionej grupy stopów, uzależnione od zawartości Zn,

a tym samym właściwości mechanicznych, jest następujące:

4% Zn - rurki chłodnicowe, rurki włoskowate, łuski amunicji małokalibrowej;

7% Zn - rurki do chłodnic samochodowych;

10% Zn - blachy do platerowania;

15 ÷ 20% Zn - wyroby artystyczne, wężownice, membrany manometrów, siatki;

30 ÷ 32% Zn - blachy do głębokiego tłoczenia, łuski pocisków, rury skraplaczy pary;

40% Zn - elementy kute i prasowane na gorąco, śruby z wygniatanym gwintem.

Mosiądze odlewnicze

Mosiądze odlewnicze, obok miedzi i cynku zawierają dodatki Pb, Mn, Fe, Ni - polepszające

właściwości wytrzymałościowe i odporność na korozję. Mosiądze takie nazywa się również mosiądzami specjalnymi lub stopowymi.

Lejność mosiądzów rośnie wraz z zawartością cynku aż do około 38% Zn, skurcz odlewniczy maleje stopniowo ze wzrostem zawartości Zn. Mosiądze te nadają się na odlewy cienkościenne oraz odlewy pod ciśnieniem

Brązy

Brązami nazywa się stopy miedzi z cyną oraz podwójne stopy miedzi z takimi pierwiastkami jak: Al, Pb, Si, Mn, Be.

Oprócz stopów podwójnych stosuje się również stopy wieloskładnikowe. Nazwa poszczególnych gatunków brązu pochodzi od głównego składnika lub składników stopowych np. brąz cynowy, aluminiowy, krzemowy, cynowo-ołowiowy.

Brązy cynowe należą do najstarszych stopów technicznych i są stosowane powszechnie do dnia dzisiejszego. Zastosowanie techniczne znalazły stopy o zawartości mniejszej niż 20% Sn. Struktura brązów zależy od składu chemicznego, sposobu odlewania oraz stanu materiału.

Fazy strukturalne, występujące w praktycznie stosowanych brązach, to:

α - roztwór stały cyny w miedzi o sieci A1;

β - roztwór stały na bazie fazy elektronowej Cu5Sn o stężeniu elektronowym 21:14 i sieci A2;

γ - roztwór stały wtórny o sieci A2

δ - roztwór stały na bazie fazy elektronowej Cu31Sn8 o stężeniu elektronowym 21:13 i złożonej strukturze sześciennej.

Cenną zaletą brązów cynowych jest ich odporność na korozję w takich środowiskach jak atmosfera, zwykła woda, roztwory obojętnych soli. Brązy cynowe można podzielić na brązy:

do przeróbki plastycznej (do 10% Sn) oraz odlewnicze (powyżej 10% Sn).

Brązy cynowe do przeróbki plastycznej

Brązy cynowe o zawartości cyny poniżej 10% Sn odznaczają się dobrą podatnością do przeróbki plastycznej na zimno i gorąco. Do przeróbki plastycznej na zimno stosuje się brązy o zawartości cyny mniejszej niż 7% Sn, o strukturze roztworu stałego α. Przed procesem przeróbki plastycznej na zimno stop poddaje się wyżarzaniu ujednorodniającemu w celu usunięcia likwidacji dendrytyczne.

Brązy cynowe w postaci prętów, rur, taśm lub drutów stosuje się na elementy wymagające dużej sprężystości i odporności na korozję (np. części przyrządów pomiarowych, membrany manometrów, sprężyny).

Brązy cynowe odlewnicze

Na odlewy stosowane są najczęściej stopy zawierające około 10 i więcej % Sn oraz często takie dodatki, jak: Pb i Zn. Brązy te posiadają strukturę wielofazową (faza α z niewielką ilością eutektoidu α + δ). Ze względu na zastosowanie brązy te dzieli się na:

- maszynowe,

- armaturowe,

- łożyskowe.

Brązy aluminiowe

Brązy aluminiowe coraz częściej zastępują brązy cynowe ze względu na swoją cenę, jaki właściwości. Zastosowanie techniczne mają stopy zawierające do 11% Al. Brązy aluminiowe zawierające 4 ÷ 8% Al. Mogą być przerabiane plastycznie na zimno i na gorąco. Natomiast

stopy zawierające 9 ÷ 11% Al są stosowane jako odlewnicze lub przerabiane plastycznie na gorąco w temperaturze 870°C. Brązy aluminiowe zawierają zazwyczaj także dodatki Fe i Ni, podwyższające ich właściwości wytrzymałościowe. Z uwagi na wysoką wytrzymałość Rm ok. 400 ÷ 600 MPa i odporność na korozję stosowane są do wyrobu śrub okrętowych, części

pomp, urządzeń dla przemysłu papierniczego, chemicznego, a także blach, rur, kół zębatych i drutów. Brązy aluminiowe zawierające ok. 10% Al można hartować, wskutek występowania w układzie Cu-Al (rys. 4) przemiany eutektoidalnej w temperaturze 565°C i eutektoidu przy 11,8% Al. Stopy zahartowane z temperatury około 900°C w wodzie, odpuszcza się w temperaturze 400 ÷ 600°C w czasie 2 ÷ 3 godzin. Twardość zahartowanego stopu CuAl110 o strukturze przedstawionej na rys. 5 wynosi ok. 180 HB, zaś po odpuszczeniu w 500°C - około 160 HB (w stanie wyżarzonym ok. 100 KB).

Brązy krzemowe

Brązy krzemowe zawierają zazwyczaj 2,5 ÷ 4,5% Si oraz niewielkie ilości Mn, Zn, Fe, ograniczających rozpuszczalność krzemu w roztworze stałym. Dodatek Mn podnosi właściwości antykorozyjne brązów krzemowych, Zn - polepsza ich lejność, Fe - zwiększa wytrzymałość. Struktura stopów Cu-Si jest podobna do struktury brązów cynowych. Brązy krzemowe odznaczają się dobrymi właściwościami mechanicznymi w temperaturze otoczenia i w temperaturze do 300°C, w szczególności dobrą wytrzymałością zmęczeniową, dobrymi właściwościami ślizgowymi, dużą odpornością na korozję, a przy tym dobrą skrawalnością i lejnością.

Stop CuSi3Mn1 do przeróbki plastycznej na zimno i na gorąco, podlegający silnemu umocnieniu zgniotem, jest stosowany na sprężyny, części aparatury chemicznej, części maszyn narażone na ścieranie.

Stop odlewniczy CuSi3Zn3Mn używany jest na odlewy kół zębatych, części pomp oraz panewki łożysk pracujących w środowiskach korodujących lub zapylonych. Ponieważ brązy krzemowe słabo iskrzą podczas tarcia, są stosowane również na odlewy aparatury i osprzętu dla przemysłu gazowego i petrochemicznego.

Brązy berylowe

Brązy berylowe zawierają najczęściej 2 ÷ 3% berylu, są przerabiane plastycznie na zimno i na gorąco w temperaturze 780 ÷ 800°C. Zmienna z temperaturą rozpuszczalność berylu w roztworze stałym stwarza możliwość utwardzania dyspersyjnego brązów berylowych, przez przesycanie z ok. 800°C w wodzie i starzenie w zakresie 250 ÷ 300°C.

W stanie wyżarzonym stopy te wykazują Rm ok. 570 MPa i A ok. 50%, po starzeniu w 250°C

w czasie 2 h: Rm ok. 1300 MPa i A ok. 2,5%. Właściwości te zachowują stopy Cu-Be w zakresie do 250°C. Wykazują one ponadto dobrą odporność na korozję i w czasie tarcia nie

wytwarzają iskier. Stopy te znajdują zastosowanie do wyrobu sprężyn i amortyzatorów w budowie samolotów, narzędzi dla przemysłu materiałów wybuchowych, szczotek do maszyn

elektrycznych oraz części dla przemysłu precyzyjnego i nie wydających iskier narzędzi, przeznaczonych do pracy w styczności z materiałami wybuchowymi lub łatwopalnymi. Obecnie stosuje się brązy berylowe z innymi dodatkami stopowymi, jak: Ni, Co, Ti, Al, Mn,

podwyższającymi ich właściwości lub też zastępującymi stosunkowo drogi beryl. Wymienione dodatki stopowe zwiększają efekt umocnienia wydzieleniowego, dzięki czemu brązy berylowe osiągają najwyższą wytrzymałość spośród stopów miedzi, sięgającą 1500 MPa.

Brązy manganowe

Brązy manganowe zawierają 5 ÷ 20% Mn, wykazują wysokie właściwości plastyczne i duże

umocnienie pod wpływem zgniotu. Stopy te zachowują swoje dobre właściwości w zakresie

do ok. 300°C, przez co mogą być stosowane na urządzenia do pracy w temperaturach podwyższonych. W stanie wyżarzonym wykazują Rm ok. 300 MPa i A ok. 40%, zaś po zgniocie Rm ok. 600 MPa i A ok. 2%. Niektóre stopy Cu-Mn o dużym oporze elektrycznym, jak np. rezistin (15% Mn) i manganin (12% Mn i 4% Ni), przerabiane plastycznie na zimno i na gorąco stosowane są w przemyśle elektrotechnicznym i do budowy aparatury pomiarowej.

Miedzionikle

Miedzioniklami nazywane są stopy miedzi, w których głównym dodatkiem jest nikiel w ilościach 2 ÷ 45%. Mają strukturę roztworu α, który w układzie Cu-Ni jest roztworem ciągłym. Miedzionikle ujęte są w normie PN-92/H-87052. Występują tylko w stanie przerobionym plastycznie. Mają dobre własności wytrzymałościowe, plastyczne i są odporne na korozję.

Miedzionikle o zawartości 5 ÷ 10% Ni oraz 1% Fe i 0,5% Mn (dla wzrostu wytrzymałości) są stosowane na rury skraplaczy w przemyśle okrętowym. Mają dobre właściwości mechaniczne w zakresie podwyższonych temperatur do 350 oC, dużą odporność na korozję i erozję w wodzie morskiej, na korozję kwasów i atmosfery w wyższych temperaturach.

Rozróżnia się miedzionikle dwu- i wieloskładnikowe (Mn, Fe, Al).

Miedzionikle stosuje się do: platerowania, armaturę i urządzenia klimatyzacyjne w przemyśle okrętowym, elementy oporowe, elektrody do termoelementów, rury kondensatorowe w przemyśle okrętowym.

3. Stopy o wysokiej wytrzymałości właściwej.

Odlewnicze stopy aluminium.

Dużą grupę odlewniczych stopów aluminium stanowią stopy aluminium z krzemem. Stopy te, o składzie najczęściej zbliżonym do eutektycznego, mogą zawierać do 30% Si nazywamy siluminami. W skład stopów technicznych mogą wchodzić takie składniki stopowe, jak: Cu, Mg, Ni, Mn i Ti. Siluminy cechują doskonałe właściwości odlewnicze: mały skurcz, rzadko − płynność, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz mała skłonność do pękania. W stopach tych często pojawia się jednak charakterystyczna struktura pierwotnych kryształów krzemu wychodzących wiązkowo (gwiaździście) od centrum krystalizacji. Obecność w stopie wolnego krzemu oraz gruboziarnistej eutektyki prowadzi do bardzo wyraźnego spadku właściwości mechanicznych. Tej niekorzystnej strukturze przeciwdziała się poprzez modyfikację prowadzącą do zwiększenia dyspersji krzemu. Polega ona na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami albo też przez szybkie ochłodzenie stopu.

Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem w postaci fluorku sodowego NaF w mieszaninie z NaCl i KCl. Niekiedy dla podwyższenia efektu modyfikacji wprowadza się do stopu sód metaliczny. Ilość sodu jako modyfikatora nie przekracza 0,1%.

Slimuminy nadeutektyczne modyfikuje się fosforem. Wprowadzany do ciekłego stopu fosfor tworzy związek AlP. Związek ten jest trwały i posiada wysoką temperaturę topnienia (powyżej 1000°C).

Modyfikacja strontem, w zależności od temperatury kąpieli, składu stopu, materiału tygla i zanieczyszczeń, utrzymuje się od 2 do 10 godzin. Ponadto uszlachetnienie struktury strontem pozwala na kilkakrotne przetopienie stopu bez utraty efektów modyfikacji.

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej.

Stopy aluminium przerabiane plastycznie, są jednym z podstawowych tworzyw konstrukcyj-nych, zwłaszcza w budowie samolotów i statków kosmicznych, przede wszystkim dzięki wysokim wskaźnikom własności wytrzymałościowych odniesionych do gęstości, czyli tzw. wytrzymałości właściwej.

W Polsce podobnie jak w wielu innych krajach są one znormalizowane (PN-79/H-88026).

Stopy te można podzielić na dwie grupy:

• - Stosowane bez obróbki cieplnej umacniającej.

• - Stopy stosowane w stanie utwardzonym dyspersyjnie.

Pierwszą grupę tworzą stopy Al-Mn, Al-Mg i Al-Mg-Mn.

Stopy Al-Mn, przy zawartości 1,95% Mn tworzą eutektykę złożoną z kryształów roztworu stałego granicznego manganu w aluminium i fazy międzymetalicznej Al6Mn. Rozpuszczalność manganu w aluminium w temperaturze eutektycznej (658,5°C) wynosi ok. 1.8% i szybko maleje w miarę obniżania temperatury; teoretycznie, więc w stopach tego typu występuje zmienna ilość fazy międzymetalicznej Al6Mn. Praktycznie jednak w obecności żelaza, które jest nieuniknionym zanieczyszczeniem tych stopów, tworzy się trójskładnikowa faza Al6(Mn, Fe) nierozpuszczalna w aluminium. Stopy aluminium można, więc umacniać tylko przez obróbkę plastyczną na zimno.

Również rozpuszczalność magnezu w aluminium jest ograniczona i zależy od temperatury, zgodnie z układem równowago Al-Mg Jedynie stopy zawierające poniżej 1,4%Mg są stopami jednofazowymi, a więc w ogóle nie podlegają umacniającej obróbce cieplnej. Stopy o większej zawartości magnezu, składające się z roztworu stałego granicznego magnezu w aluminium i wtórnych wydzieleń fazy międzymetalicznej Al3Mg2, można obrabiać cieplnie, ale skuteczność tej obróbki jest niewielka. Dlatego umocnienie tych stopów uzyskuje się także poprzez obróbkę plastyczną na zimno.

Znacznie liczniejszą grupę stanowią stopy aluminium przerabiane plastycznie, stosowane po umacniającej obróbce cieplej. Są to stopy Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Mg-Mn i wiele innych stopów wieloskładnikowych.

Najstarszymi stopami aluminium, mającymi zresztą szeroki zastosowanie przede wszystkim w lotnictwie i budownictwie są durale (nazwa duraluminium lub krótko dural oznacza „twarde aluminium”,). Rozróżnia się dwa rodzaje durali:

• - bezcynkowe, których skład chemiczny zawiera się w granicach: 2,2 ÷ 5,2% Cu, 0,4 ÷ 1,8% Mg, 0,3 ÷ 1% Mn, maks. 0,7% Si, maks. 0,5% Fe i maks. 0,5% Zn, np. (PA6 i PA7-stosowane na silnie obciążone elementy budowlane, PA21, PA23, PA24, PA25-produkowane w postaci dru-tów na nity do konstrukcji lotniczych)

• - cynkowe, o składzie 1,4 ÷ 2% Cu, 1,6 ÷ 2,8% Mg, 0,2 ÷ 0,9 Mn, 4 ÷ 8% Zn, maks. 0,5% Si, maks. 0,5% Fe, ewentualnie kilka dziesiątych procent Cr.

Magnez i jego stopy

Zaletami stopów Mg jest mały ciężar właściwy oraz granica plastyczności i moduł sprężystości pozwalające na przenoszenie dużych obciążeń. Stopy magnezu znajdują zastosowanie w przemyśle lotniczym, samochodowym, sprzętu gospodarstwa domowego i biurowego. Korzystny jest stosunek wytrzymałości do masy odlewów, a także dobra skrawalność.

Do wad należy niewielka odporność na korozję oraz konieczność stosowania inhibitorów w czasie topienia, odlewania i skrawania, ze względu na gwałtowne reagowanie Mg z tlenem.

W odlewnictwie najbardziej rozpowszechnione są stopy typu Mg-Al. Zawierające ponadto takie pierwiastki, jak Zn, Mn, Si i Cu, oraz stopy Mg-Zn z dodatkami Zr, Ag, Th i Ce. Ostatnio rośnie zainteresowanie stopami Mg-Li zawierające pewne ilości Al, Cd, Ag, a powodem tego jest dążenie do coraz większego zmniejszenia masy konstrukcji (stop Mg-Li ma gęstość ok. 1,3g/cm)

Stopy Mg-Al stanowią najstarszą grupę stopów magnezu. Ich korzystne właściwości wiążą się ze stosunkowo szerokim zakresem roztworu stałego (rys. 4) i możliwością wprowadzania również innych dodatków. Większość praktycznie stosowanych stopów zawiera 7 ÷ 10% Al i niewielkie dodatki Zn i Mn. Druga grupa stopów Mg-Al zawiera mniej Al i ewentualnie większą ilość Zn.

Strukturalnie stopy Mg-Al składają się z roztworu stałego oraz eutektyki. Obróbka cieplna polega na utwardzeniu wydzieleniowym fazą γ (Mg17Al12).

W stopach magnezu bez aluminium, wpływ Mn na właściwości mechaniczne jest nieznaczny i stopy te o zawartości 1,2 ÷ 2% Mn nie są poddawane obróbce cieplnej. Mangan wywiera natomiast korzystny wpływ na odporność korozyjną stopów.

Zmienna w temperaturze rozpuszczalność Zn w Mg (rys. 5) limituje zawartość tego dodatku. Przy zawartości 2 ÷ 6% Zn uzyskuje się dobre właściwości odlewnicze, które można jeszcze poprawić przez dodatki: Zr, Ce lub Th. Cyrkon powoduje rozdrobnienie ziarna w stopie tworząc przy zawartości ponad 0,25% fazę o działaniu zarodkotwórczym.

Tytan i jego stopy.

Tytan pod względem częstotliwości występowania w skorupie ziemskiej jest czwartym metalem po Fe, Al i Mg. Tytan ulega przemianie alotropowej w temperaturze 882°C; poniżej tej temperatury występuje α-Ti o sieci heksagonalnej, a powyżej β-Ti o sieci regularnej przestrzennie centrowanej; ma on lepsze właściwości plastyczne i dlatego nadaje się do obróbki plastycznej. Tytan i jego stopy cechuje wysoka wytrzymałość w odniesieniu do ciężaru właściwego (do 1800MPa) i bardzo dobra odporność korozyjna (woda morska, chlorki, kwasy o różnym stężeniu), oraz żaroodporność (do 800°C) szczególnie w ośrodkach utleniających. Wynika to z faktu, że w atmosferze utleniającej elementy ze stopów Ti pokrywają się warstewką tlenku TiO2. Reaktywność ciekłego Ti z tlenem, azotem i wodorem stwarza trudności metalurgiczne(wytapiania,przetapiania).

Stopy Ti stosowane są w lotnictwie, kosmonautyce, przemyśle chemicznym.

Różne dodatki stopowe stosowane w stopach tytanu stabilizują albo odmianę α np. (Al) albo β np. (V, Mo, Cr). W rezultacie jednoczesnego stosowania wielu pierwiastków stopowych uzyskuje się różne struktury, w tym mieszaninę α+β, wpływające na właściwości stopów.

Do stopów o strukturze α stosuje się wyżarzanie normalizujące i rekrystalizujące. Do sto-pów o strukturze β można zastosować hartowanie w wyniku, którego zachodzi martenzytyczna przemiana β→α' oraz zabieg przesycania, a w trakcie odpuszczania (starzenia) następuje umoc-nienie wydzieleniowe fazami międzymetalicznymi lub drobnodyspersyjną fazą β.

Przykłady stopów technicznych o strukturze:

α: TiAl8MoV, TiAl6Sn2;

β: TiV13Cr11Al3, TiMo8V8Al3Fe2,

α+β:TiMn8,TiAl3V3,TiAl6V6Sn2.

4. Materiały ceramiczne.

Grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytworzonych zwykle w procesach wysokotemperaturowych nazywana jest ceramiką. Do grupy tej zaliczone są również szkła i ceramika szklana.

Ogólna klasyfikacja materiałów ceramicznych ze względu na zastosowania:

- materiały ogniotrwałe,

- materiały węglowe, grafit,

- materiały budowlane,

- posadzki,

- materiały ścierne,

- narzędzia skrawające,

- elementy konstrukcyjne,

- szkło,

- porcelana stołowa, porcelit, fajans,

- ceramika elektroniczna,

Główne typy i ogólny opis niektórych materiałów ceramicznych i węglowych:

1. Węgliki:

- węgliki wolframu - twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie zależną od udziału osnowy kobaltowej, stosowane na narzędzia skrawające i matryce.

- węgliki tytanu - nie tak ciągliwe jak węgliki wolframu. jako lepiszcze stosowane są nikiel i molibden, stosuje się je na narzędzia skrawające.

- węgliki krzemu - wysokotemperaturowa wytrzymałość i odporność na ścieranie. Stosowane w turbinach cieplnych i jako ścierniwo.

2. Azotki:

- azotki boru o regularnej sieci przestrzennej - druga najtwardsza znana substancja po diamencie, stosowane jako ścierniwo i na narzędzia skrawające.

- azotki tytanu - stosowane jako pokrycia ze względu na dużą odporność na ścieranie, o złotym kolorze.

- azotki krzemu - wysoka odporność na pełzanie i udary cieplne, stosowany w turbinach cieplnych.

3. Tlenki:

- tlenki aluminium - wysoka twardość, umiarkowana wytrzymałość, najpowszechniej stosowane na narzędzia skrawające, izolatory elektryczne i cieplne.

-tlenki cyrkonu - wysoka wytrzymałość i ciągliwość, rozszerzalność cieplna zbliżona do żeliwa, odpowiednie na elementy turbin cieplnych.

4. Sialony - łączy cechy azotku krzemu i tlenku aluminium, stosowany na narzędzia skrawające i jako materiał żaroodporny.

5. Cerometale - zawierają tlenki, węgliki i azotki oraz metalową osnowę,

6. Krzemionka - żarowytrzymałe, kwarc wykazuje efekt piezoelektryczny, silikaty, zawierające różne tlenki, są stosowane na wysokotemperaturowe elementy.

7. Szkła - zawierają nie mniej niż 50% krzemionki, struktura bezpostaciowa, liczone typy o zróżnicowanych własnościach mechanicznych i fizycznych.

8. Ceramika szklana - zawiera w strukturze bardzo drobne kryształy, bardzo dobra odporność na udary cieplne i żarowytrzymałość.

9. Grafit - krystaliczna postać węgla, wysoka przewodność elektryczna i cieplna, dobra odporność na udary cieplne.

10. Diament - jedna z najtwardszych znanych substancji, dostępny jako monokryształ lub w postaci polikrystalicznej;

stosowany na narzędzia skrawające i ścierniwo, a także na matryce do ciągnienia cienkich drutów.

WIĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI W MATERIAŁACH CERAMICZNYCH

Materiały ceramiczne są złożone z co najmniej dwóch elementów, a często i większej ich liczby, a ich struktura krystaliczna jest bardziej złożona niż metali.

Między atomami w tych materiałach występują wiązania od czysto jonowych do

całkowicie kowalencyjnych, a w wielu materiałach ceramicznych występuje kombinacja

tych dwóch rodzajów wiązań.

W materiałach ceramicznych, w których przeważają wiązania jonowe, występuje

równowaga między dodatnio naładowanymi elektrycznie kationami - jonami metali, oddającymi swe elektrony walencyjne a ujemnie naładowanymi anionami- jonami niemetali.

Zastosowanie głównych grup materiałów ceramicznych:

1. Ceramika budowlana:

- Budownictwo - cegła, cement, beton, dachówka, tynk, szyby szklane

- Szkło - butelki, aparatura laboratoryjna, glazura

- Produkty ogniotrwałe - cegła, tygle, formy, cement

- Produkty z gliny - cegła, produkty garncarskie, kamionka, rury kanalizacyjne

- Produkty porcelanowe i emaliowane - porcelana stołowa, kafelki, armatura sanitarna, emalie i produkty emalierskie

- Produkty ścierne - tarcze ścierne, płótna i papiery ścierne, dysze do piaskowania, kule do mielenia

2. Ceramika inżynierska:

- Przemysł samochodowy i lotniczy - elementy turbin, osłony termiczne i wymienniki, uszczelnienia, elementy

systemu osłony termicznej promów kosmicznych

- Wytwarzanie - narzędzia skrawające, elementy odporne na ścieranie i korozję, ceramika

szklana, magnesy, włókna optyczne, światłowody

- Elektronika - półprzewodniki, izolatory, nadprzewodniki, lasery, dielektryki, elementy grzejne

- Wysoka temperatura - produkty ogniotrwałe, armatura instalacyjna, piece

- Medycyna - osprzęt laboratoryjny, elementy sterowania, protezy, materiały stomatologiczne

W przypadku gdy aniony pozostają w kontakcie z otaczającymi kationami, materiały ceramiczne cechują się strukturą stabilną. Liczba koordynacyjna, odpowiadająca liczbie anionów najbliżej sąsiadujących z kationem, jest zależna od stosunku promieni kationu i anionu rk/ra . W przypadku gdy stosunek rk/ra >1 liczba koordynacyjna wynosi 12, jednak dla większości materiałów ceramicznych liczba koordynacyjna wynosi 4, 6 lub 8.

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA CERMETALI INŻYNIERSKICH

Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych, np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów stanowiących fazę wiążącą, o udziale masowym 5÷15%, wykazując gęstość prawie teoretyczną. Materiały te bywają również zaliczane w skład ceramiki inżynierskiej lub w skład materiałów kompozytowych. Cermetale są wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem w wysokiej temperaturze, najczęściej niższej od temperatury topnienia każdego ze składników. Niektóre z tych materiałów mogą być poddawane obróbce cieplnej, podobnie jak stopy metali. Najbardziej typowymi przedstawicielami tej grupy materiałów inżynierskich są węgliki spiekane i cermetale narzędziowe. Początkowo cermetale inżynierskie były stosowane głównie jako materiały narzędziowe. Cermetale zawierające dwutlenki uranu UO₂, jak i węgliki uranu UC są składnikami paliw nuklearnych. Cermetale inżynierskie zawierające borki cyrkonu ZrB₂, węgliki krzemu SiC i inne zawierające tlenki aluminium Al₂O₃, dwutlenki krzemu SiO₂, węgliki boru B₄C lub składniki ogniotrwałe połączone z diamentem, zapewniają unikatowe własności cermetali, umożliwiające ich zastosowanie na narzędzia do pracy na gorąco, elementy wysokotemperaturowych zaworów i elementy odporne na ścieranie, ultra wysokotemperaturowe przewody, dysze i inne elementy silników rakietowych, elementy instalacji i palenisk pieców, ściernice, zawierające diament końcówki świdrów i zęby pił.

VII. KLASYFIKACJA CERMETALI INŻYNIERSKICH

Cermetale inżynierskie mogą być klasyfikowane, pod względem udziału w nich głównych składników, na:

węgliki,

węglikoazotki,

azotki,

tlenki,

borki,

różne związki zawierające węgiel.

Cermetale zawierające węgliki stanowią najliczniejszą grupę jako węgliki spiekane, pomimo że tradycyjnie wydziela się z nich grupę opartą na węglikach tytanu TiC. Cermetale bazujące na węglikach tytanu TiC, nawet jeżeli zawierają składniki występujące w węglikach spiekanych, są stosowane jako materiały narzędziowe i odporne na ścieranie, pracujące w wysoko obciążonych i wysokotemperaturowych systemach oraz w środowisku korozyjnym. Cermetale bazujące na węglikach krzemu i boru SiC i B₄C, które zwykle są traktowane jako materiały kompozytowe o osnowie metalowej, znajdują zastosowanie jako materiały odporne na zużycie, korozję i ścieranie oraz w reaktorach jądrowych. Cermetale z węglikami chromu

Cr₃C₂ utraciły już swe znaczenie techniczne głównie na czujniki i elementy odporne na korozję. Cermetale z węglikoazotkami mogą zawierać także węgliki, głównie Mo₂C oraz

fazę wiążącą typową dla węglików spiekanych. Stosowane są głównie na narzędzia, a dzięki dodatkom TiC, TiN, MoC i MoN mają wyższe własności wytrzymałościowe od konwencjonalnych węglików spiekanych. Azotki tytanu TiN oraz regularny azotek boru BN wraz z twardą osnową metalową decydują o bardzo dobrych własnościach tych cermetali w zastosowaniu na narzędzia. Azotki tytanu TiN oraz cyrkonu ZrN, z odpowiadającą im metalową fazą wiążącą, tworzą cermetale wymagające odporności na wysoką temperaturę oraz na korozję. Grupa cermetali zawierających tlenek uranu UO₂ i dwutlenek toru ThO₂ znajduje zastosowanie jako paliwo jądrowe. Cermetale z tlenkami aluminium Al₂O₃

i innymi tlenkami ogniotrwałymi są stosowane na elementy manipulatorów pracujących w ciekłych metalach i elementy pieców, a cermetale z tlenkami SiO₂ są stosowane dla obniżenia współczynnika tarcia. Cermetale zawierające mieszaninę Al₂O₃ i TiC są stosowane na narzędzia do pracy na gorąco. Cermetale, w których dominującą fazą są borki jednego z metali przejściowych, wykazują bardzo dobrą odporność na korozję w środowisku ciekłych metali, np. aluminium, lub ich par. Cermetale zawierające mieszaniny ZrB₂ i SiC są odporne

na erozję w gazowych układach napędowych rakiet. Cermetale zawierające grafit w różnym udziale są stosowane na szczotki i styki elektryczne oraz składniki smarne elementów odpornych na ścieranie. Do tej grupy należą również cermetale zawierające drobne cząsteczki diamentu w osnowie metalowej, które są stosowane na narzędzia specjalne.

5. Polimery..

Tworzywa sztuczne są to materiały użytkowe otrzymane na bazie polimerów, powstałe w wyniku połączenia ich z różnymi dodatkami. Zadaniem dodatków polimerowych jest modyfikacja własności polimeru i wykreowanie nowego materiału użytkowego. Jako dodatki polimerowe stosuje się:

• Napełniacze - polepszają własności mechaniczne, sztywność, odporność cieplną, właściwości elektroizolacyjne lub prądoprzewodzące; obniżają cenę gotowego wyrobu

• Stabilizatory - poprawiają stabilność termiczną, przeciwdziałają rozpadowi polimeru pod wpływem tlenu i promieniowania ultrafioletowego,

• Zmiękczacze (plastyfikatory) - ułatwiają przetwórstwo oraz modyfikują mechaniczne i cieplne własności tworzyw,

• Barwniki, pigmenty - nadają wyrobowi barwę

• Antystatyki - eliminują elektryzowanie się tworzywa przez modyfikację jego właściwości powierzchniowych,

• Antypireny - opóźniacze palenia, wywołują efekt samogaśnięcia tworzywa

Klasyfikacja:

Tworzywa sztuczne klasyfikuje się na wiele sposobów, w zależności od przyjętego kryterium podziału.
Jednym ze stosowanych systemów podziału tworzyw sztucznych jest klasyfikacja w zależności od pochodzenia bazowego polimeru. Według tego kryterium, tworzywa dzielimy na:

- naturalne modyfikowane np.
pochodne celulozy - celuloid, wiskoza
pochodne kazeiny - galalit (sztuczny róg)
- syntetyczne, czyli otrzymywane na drodze polireakcji np.
polietylen (PE),
polistyren (PS),
żywice epoksydowe (EP),
poliamidy (PA).

Materiały polimerowe można sklasyfikować w trzech grupach zastosowań:

- masowe (np. PE, PP, PVC, PS),

- konstrukcyjne (np. ABS, PBT, PET, PA, POM, PC, PMMA, PPS),

- specjalne (np. o dużej wytrzymałości PAEK, PI, przewodzące prąd elektryczny,

wzmacnianie włóknami, biodegradowalne).

Zalety i wady materiałów polimerowych:

Do zalet materiałów polimerowych zaliczane są: mała gęstość, duża wytrzymałość mechaniczna w stosunku do masy, trwałość, odporność na czynniki atmosferyczne i środowiska aktywne, termostabilność, własności elektryczne, cieplne oraz duża zdolność kształtowania gotowych produktów w stosunkowo prostych procesach technologicznych.

Do wad materiałów polimerowych zalicza się niską odporność na pełzanie, ograniczony zakres temperatury długotrwałego użytkowania oraz problemy związane z procesami wtórnego wykorzystania i utylizacji zużytych produktów i elementów konstrukcyjnych. Ta grupa materiałów inżynierskich jest ciągle rozwijana, m.in. przez wprowadzenie dodatków, modyfikację procesu wytwarzania oraz tworzenie nowych lub udoskonalanie stosowanych technologii przetwórstwa i wytwarzania gotowych produktów.

Oznaczenie materiałów polimerowych:

Materiały polimerowe obejmują kilkanaście tysięcy gatunków różniących się chemicznie i morfologicznie, a przede wszystkim własnościami. W zapisie pełnej nazwy polimeru, jeśli po przedrostku „poli“ występuje więcej niż jedno słowo, to słowa te powinno się ująć w nawiasie, np. poli(akrylan butylu). W powszechnym stosowaniu, zwłaszcza jeśli dotyczy to materiałów ogólnie znanych, dopuszcza się możliwość opuszczenia tego nawiasu, np. polichlorek winylu, zamiast poli(chlorek winylu). Dążenie do uproszczenia zapisu niejednokrotnie długich nazw, spowodowało wprowadzenie skrótów. Oznaczenie konkretnego polimeru, oprócz skrótu pełnej jego nazwy, zawierać może informacje o jego własnościach mechanicznych i technologicznych związanych z przetwórstwem, postaci, sposobie wytwarzania, rodzaju, postaci i udziale substancji pomocniczych lub napełniaczy hybrydowych w nim zawartych.

Elastomery - są to związki wielkocząsteczkowe, które w temperaturze pokojowej przy małych naprężeniach wykazują duże odkształcenia elastyczne, odwracalne. Odwracalność odkształceń jest związana z budową elastomerów, ich długie łańcuchy są usieciowane i tworzą nieregularną strukturę. O własnościach sprężystych elastomerów decyduje długość łańcuchów, stopień ich zwinięcia oraz ilość wiązań poprzecznych między łańcuchami polimerowymi, przy czym zwiększenie ilości mostków, czyli wiązań poprzecznych zwiększa twardość oraz wytrzymałość natomiast zmniejsza elastyczność elastomeru. Temperatura zeszklenia elastomerów jest niższa od temperatury pokojowej. W zależności od podatności na proces wulkanizacji elastomery dzieli się na wulkanizujące i niewulkanizujące.

Plastomery - pod wpływem naprężenia wykazują małe odkształcenia nie przekraczające zwykle 1% a poddawane wzrastającemu obciążeniu odkształcają się plastycznie, aż do mechanicznego zniszczenia. Temperatura zeszklenia plastomerów jest wyższa od temperatury pokojowej. Do plastomerów zaliczane są termoplasty i duroplasty.

Termoplasty - w podwyższonej temperaturze przechodzą w stan plastyczny, czyli miękną i dają się kształtować. Po ochłodzeniu twardnieją zachowując nadane im kształty i odzyskują pierwotne własności. Cykl uplastycznienia można powtarzać kilkakrotnie. Ze względu na postać łańcucha polimerowego termoplasty dzielą się na dwie podgrupy: krystaliczne i amorficzne. Łańcuch polimerów krystalicznych przybiera postać lamelarną lub rektalną natomiast termoplasty amorficzne mają łańcuch ukształtowany w postaci kłębka.

Duroplasty - w podwyższonej temperaturze i/lub pod wpływem utwardzaczy przekształcają się w produkt usieciowany (nietopliwy i nierozpuszczalny). Ponowne ogrzewanie może spowodować rozkład chemiczny polimeru. W zależności od sposobu utwardzania duroplasty dzielą się na termoutwardzalne i chemoutwardzalne.

Budowa cząsteczek polimerów:

W budowie chemicznej podstawowej jednostki monomerycznej polimeru uczestniczą takie pierwiastki jak węgiel, wodór, tlen, azot, chlor, fluor, siarka i krzem, pomiędzy którymi występują wiązania kowalencyjne.

Poszczególne makrocząsteczki w polimerach połączone są ze sobą w łańcuch znacznie słabszymi wiązaniami wtórnymi, które mogą być silniejsze w przypadku

- usieciowania, polegającego na utworzeniu silnych wiązań między makrocząsteczkami, np. w jonomerach,

- usztywniania łańcucha, na skutek występowania równomiernie powtarzających

się wiązań poprzecznych, łączących makrocząsteczki w podwójne łańcuchy.

W zależności od kształtu i budowy makrocząsteczek oraz wiązań między nimi, polimery dzielą się na:

- liniowe,

- liniowe z rozgałęzieniami,

- nieznacznie usieciowane z wiązaniami poprzecznymi,

- silnie usieciowane.

6. Kompozyty.

Pojęcie materiał kompozytowy (łac. compositus = złożony) oznacza materiał, który jest zbudowany z co najmniej dwóch różnych składników, przy czym ich połączenie zachodzi na poziomie makroskopowym. W tym znaczeniu nie są materiałami kompozytowymi np. stopy metali, które w skali mikroskopowej tworzą kompozycję wielu składników, ale w obrazie makroskopowym zachowują się jak typowe materiały jednorodne. Zapisy historyczne wskazują, że kompozyty stosowano już w starożytności. Wiadomo z przekazów, że Izraelici (od XIII w. p.n.e.) przy wznoszeniu swoich domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) znali już sklejkę drewnianą. W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw różnych materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość. Powstanie i rozwój nowoczesnych materiałów kompozytowych wiąże się nierozerwalnie z rozwojem technologii wytwarzania włókien sztucznych. Początek przypada na okres II wojny światowej, kiedy to powstały włókna szklane. Dalszy rozwój związany jest z włóknami węglowymi - najpierw tzw. niskomodułowymi (o niskim module sprężystości podłużnej) powstałymi w latach 50-tych, a potem wysokomodułowymi (lata 60-te). Kolejny etap rozwoju kompozytów spowodowało pojawienie się włókien aramidowych, znanych pod nazwą handlową Kevlar. Zainteresowanie kompozytami wynika z dwóch podstawowych przesłanek: pierwsza - to ich doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe, a druga - to mały ciężar właściwy. Z jednoczesną kombinacją tych cech mamy do czynienia w zasadzie tylko w przypadku kompozytów, stąd gwałtownie rosnące w ostatnich latach ich wykorzystanie w konstrukcjach, dla pracy których ta kombinacja ma pierwszorzędne znaczenie. Są to przede wszystkim konstrukcje lotnicze, samochodowe, a także sprzęt sportowy (łodzie, narty, rakiety tenisowe, rowery). Wspólną cechą wszystkich wymienionych zastosowań kompozytów jest to, że dotyczą one konstrukcji cienkościennych, dla których kompozyty już w chwili obecnej wydają się być materiałem o podstawowym znaczeniu.

Większość materiałów kompozytowych jest zbudowana z dwóch faz - fazy ciągłej zwanej osnową (matrycą), otaczającej fazę drugą, tzw. fazę rozproszoną, zwaną także zbrojeniem. Wypadkowe własności kompozytu są zależne od własności faz składowych, ich ilości w ogólnej objętości kompozytu, sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w osnowie, a także cech geometrycznych fazy rozproszonej.

W zależności od rodzaju fazy rozproszonej materiały kompozytowe można podzielić na kompozyty zbrojone cząstkami, zbrojone dyspersyjnie oraz zbrojone włóknami.

Kompozyty zbrojone cząstkami i dyspersyjnie

Kompozyty zbrojone cząstkami to takie, w których w przenoszeniu obciążeń zewnętrznych

uczestniczy zarówno osnowa, jak i faza rozproszona w postaci cząsteczek. Ich sztywność i

twardość jest większa od sztywności i twardości otaczającej je osnowy. Mechanizm

wzmocnienia kompozytu przez cząstki polega na ograniczaniu przez nie odkształceń matrycy

w obszarze położonym w pobliżu powierzchni każdej cząstki. Tak więc, aby wzmocnienie

było efektywne, cząstek powinno być odpowiednio dużo (z reguły powyżej 20% objętości

kompozytu, niekiedy nawet 90%), powinny one być w miarę równomiernie rozłożone w

kompozycie, mieć mniej więcej te same wymiary we wszystkich kierunkach i być

stosunkowo małe.

Powszechnie stosowanym kompozytem tego typu jest beton, w którym fazą ciągłą jest

cement, a fazą rozproszoną kruszywo.

Kompozyty zbrojone dyspersyjnie zbudowane są z metalowej osnowy, wzmocnionej bardzo

drobnymi cząstkami ceramicznymi lub metalicznymi o średnicy ok. 0.01÷0.1 μm w ilości do

ok. 15% objętości kompozytu. Tym co odróżnia je od kompozytów zbrojonych cząstkami jest

odmienny mechanizm wzmocnienia kompozytu. W przypadku zbrojenia dyspersyjnego

wzmocnienie zachodzi na poziomie mikroskopowym (atomowym lub molekularnym) i

polega na utrudnianiu przez rozproszone cząstki ruchu dyslokacji w osnowie. Obciążenie

zewnętrzne przenoszone jest w zdecydowanej większości przez osnowę, tak więc zbrojenie

dyspersyjne nie poprawia znacząco cech mechanicznych i wytrzymałościowych kompozytu w

umiarkowanych temperaturach. Wpływ wzmocnienia jest natomiast wyraźny w wysokich

temperaturach, sięgających 80% temperatury topnienia. Nawet niewielki udział cząstek

dyspersyjnych znacznie poprawia np. odporność na pełzanie kompozytu w porównaniu z

odpornością materiału osnowy. Ma ta znaczenie przede wszystkim w konstrukcjach

pracujących pod dużym obciążeniem w wysokiej temperaturze.

Kompozyty zbrojone włóknami

Kompozyty zbrojone włóknami to kompozyty, w których w charakterze fazy wzmacniającej

wykorzystywane są różnego rodzaju włókna - stanowią one element nośny, natomiast osnowa

służy jako spoiwo łączące włókna. Osnowa zapewnia rozdział obciążenia zewnętrznego

pomiędzy włókna, a także chroni je przed czynnikami zewnętrznymi. W niewielkim

natomiast stopniu uczestniczy w przenoszeniu obciążeń zewnętrznych. Kompozyty włókniste

są najbardziej efektywnymi spośród materiałów kompozytowych, w tym sensie, że wykazują

najlepsze własności mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym ciężarze

właściwym. Jedyną ich wadą w porównaniu z kompozytami zbrojonymi cząstkami lub

dyspersyjnie jest cena, z reguły wyższa. W kompozytach włóknistych jako osnowy stosuje się

metale i żywice polimerowe.

Podstawowe znaczenie praktyczne mają jednak w tej chwili kompozyty włókniste o

osnowach polimerowych (żywice termoplastyczne i termoutwardzalne), zbrojonych

włóknami głównie węglowymi, grafitowymi, szklanymi, boronowymi i aramidowymi.

Wykorzystywane są najczęściej i produkowane w największej ilości. Decydują o tym ich

bardzo dobre parametry techniczne, ale również stosunkowo proste metody wytwarzania i

względnie niska cena.

Typy i własności włókien

Podstawowy powód stosowania włókien wynika z ich dużej sztywności i wytrzymałości,

wielokrotnie większych od wartości odpowiednich charakterystyk dla materiału włókna, ale

wyznaczonych na podstawie badań materiału w postaci masowej. Dla przykładu -

wytrzymałość na rozciąganie stali konstrukcyjnych jest rzędu 0.2-0.7 GPa, tymczasem

wytrzymałość cienkich włókien stalowych wynosi ok. 4 GPa. Ta wyraźna różnica na korzyść

włókien wynika stąd, że struktura krystaliczna włókna jest znacznie doskonalsza (kryształy

żelaza są ułożone wzdłuż osi włókna), a po drugie - statystyczna ilość defektów sieci

krystalicznej we włóknie o znikomo małej objętości jest znacznie mniejsza niż w dużej

objętości tego samego materiału. Większość włókien stosowanych w kompozytach ma

średnice w granicach 2-16 μm.

Istotnym wskaźnikiem efektywności włókna są tzw. wytrzymałość właściwa i moduł

właściwy (wyrażające się w jednostkach długości) tzn. stosunki odpowiednio wytrzymałości

na rozciąganie i modułu sprężystości do ciężaru właściwego materiału włókna. Czym

wartości tych wskaźników są większe tym włókno jest bardziej efektywne.

Obecnie, najczęściej stosowanymi w kompozytach włóknami są włókna szklane, grafitowe

(węglowe) i organiczne, a w mniejszym zakresie ceramiczne i boronowe.

Włókna szklane są najstarszymi, najtańszymi i najczęściej stosowanymi włóknami

używanymi do zbrojenia kompozytów. Stosowane są szeroko w przemyśle samochodowym,

lotnictwie, elektronice, szkutnictwie, elektrotechnice, budownictwie przemysłowym i in.

Istnieją dwa podstawowe typy włókien szklanych - E i S. Pierwszy z nich ma gorsze

własności mechaniczne (sprężyste, wytrzymałościowe, zmęczeniowe, udarnościowe,

termiczne, reologiczne), ale znacznie niższą cenę niż typ S, stworzony z przeznaczeniem dla

zastosowań militarnych. W chwili obecnej nadal znacznie częściej stosuje się włókna typu E.

Włókna grafitowe pojawiły się na rynku w latach 50-tych. Większością parametrów

przewyższają włókna szklane, są jednak od nich znacznie droższe. Można wyróżnić trzy

grupy tych włókien, a mianowicie włókna wysokowytrzymałe, wysokomodułowe i

ultrawysokomodułowe. Najczęściej stosowane włókna grafitowe znane są pod nazwami

handlowymi Toray T300 i AS.

Włókna węglowe są również włóknami grafitowymi, ale o mniej uporządkowanej strukturze.

Obok obszarów o strukturze właściwej dla krystalicznego grafitu, występują obszary o

zaburzonej sieci krystalicznej, a nawet obszary całkowicie jej pozbawione. W porównaniu z

włóknami grafitowymi mają one gorsze własności mechaniczne, są natomiast od nich tańsze.

Włókna organiczne, takie jak bawełna, juta i sizal wykorzystywane są do zbrojenia

kompozytów od dawna. Zakres ich stosowania był jednak bardzo ograniczony ze względu na

bardzo niskie parametry mechaniczne. Dopiero pojawienie się włókien aramidowych

spowodowało ich szerokie wykorzystywanie w produkcji lotniczej, samochodowej, a przede

wszystkim sprzętu sportowego (narty, łodzie wyczynowe, sprzęt golfowy). Nazwy handlowe

tych włókien to Nomex, Kevlar, Kevlar 29 i Kevlar 49. Włókna aramidowe są generalnie

rzecz biorąc najlepsze pod względem własności mechanicznych, ale jednocześnie najdroższe.

Z tego powodu są one często używane łącznie z włóknami grafitowymi lub szklanymi typu E,

tak, aby uzyskać kompromis między parametrami mechanicznymi i rozsądną ceną.

Typy i własności osnów

Osnowa pełni w kompozycie rolę spoiwa dla włókien, umożliwiając powiązanie włókien w

elementy powierzchniowe, stanowiące podstawę do wytwarzania elementów

konstrukcyjnych. Osnowa stanowi także powłokę ochronną włókien. W pewnym stopniu

uczestniczy ona również w przenoszeniu obciążeń, jakim poddany jest kompozyt. Zasadniczo

jednak osnowa ma mały wpływ na charakterystyki sztywnościowe i wytrzymałościowe

kompozytu. W stosunku do włókien - moduł sprężystości, jak i wytrzymałość na rozciąganie

matrycy są mniejsze o mniej więcej 2 rzędy wielkości. Podstawowe klasy matryc to żywice

termoutwardzalne i żywice termoplastyczne. Źródłem takiego podziału są różne procesy

chemiczne i technologiczne, w wyniku których uzyskuje się żywice. Rzutują one głównie na

własności użytkowe, związane z właściwościami fizyko-chemiczne żywic, takimi jak

odporność na media agresywne (w tym także wodę), nie mają natomiast większego wpływu

na gęstości, moduły sprężystości i wytrzymałości na rozciąganie.

Tym co odróżnia żywice termoplastyczne od termoutwardzalnych w obrazie makroskopowym

jest ich zachowanie się przy ogrzewaniu i chłodzeniu.

Tworzywa termoplastyczne poddane ogrzewaniu miękną, a chłodzone twardnieją. Proces ten

jest w pełni odwracalny i powtarzalny w zakresie temperatur ograniczonym temperaturą

topnienia. Tworzywa termoutwardzalne poddane ogrzewaniu ulegają trwałemu utwardzeniu i

kolejne cykle ogrzewanie-chłodzenie nie powodują ani ich mięknięcia, ani powtórnego

twardnienia. Są one twardsze i bardziej wytrzymałe, choć także bardziej kruche niż tworzywa

termoplastyczne. Ważną ich zaletą z punktu widzenia zastosowań jest stabilność narzuconego, początkowego kształtu. Najczęściej obecnie stosowaną w kompozytach żywicą jest należąca do klasy tworzyw termoutwardzalnych żywica epoksydowa, występująca pod wieloma nazwami handlowymi np. Narmco 2387, Vicotex 171-174 i in. Często stosowane są również, głównie z powodu niższej ceny, żywice poliestrowe - np. Polimal 109.

2

---