1. Budowa materii. Atom i jego budowa. Układ okresowy pierwiastków. Typy wiązań atomowych i międzycząsteczkowych.

Budowa materii - materia ma budowę ziarnistą, gdyż składa się z maleńkich cząstek, atomów.

Atom i jego budowa :

Atom - najmniejsza, niepodzielna przy pomocy metod chemicznych część materii. Składają się z jądra atomowego i otaczających jądro elektronów.

Budowa atomu - atom składa się z jądra, w którym znajduje sie proton o ładunku dodatnim i neutron nie posiadający ładunku. Poza jądrem po krzywych zamkniętych zwanymi orbitalami lub powłokami krążą elektrony posiadające ładunek ujemny. Elektrony na ostatnich powłokach to elektrony walencyjne. Atom w stanie podstawowym jest elektrycznie obojętny (nie kopie) tzn. że posiada tyle samo elektronów co protonów.

p - proton - ładunek +
e - elektron - ładunek -
n - neutron - ładunek 0

Układ okresowy pierwiastków - zestawienie wszystkich pierwiastków chemicznych w postaci rozbudowanej tabeli, uporządkowanych według ich rosnącej liczby atomowej, grupujące pierwiastki według ich cyklicznie powtarzających się podobieństw właściwości, zgodnie z prawem okresowości Dmitrija Mendelejewa. Jest 18 grup i 7 okresów.

Typy wiązań:

Wiązanie jonowe - oddziałzwanie między jonami.

Wiązanie kowalencyjne - polega na uwspólnieniu elektronów.

Wiązanie koordynacyjne - na uwpólnieniu elektronów ale uwspólniona para elektronów pochodzie od jednego atomu.

Wiązanie wodorowe - jest to oddzialywanie pomiędzy atomem wodoru, a wolną parą elektronową pochodzącą od atomów o wysokiej elektroujemności.

Wiązanie międzycziąstkowe (wiązanie VanDer Walsa) - siły te powstające na skutek wzajemnego oddziaływania elektronów w cząsteczkach.

2. Metody wyznaczania struktury krystalicznej. Układy krystalograficzne i typy sieci przestrzennych. Polimorfizm. Anizotropia.

Metody:

Metoda atomowa - w węzłach znajdją się atomy nejtralne między którzymi istnieje wiąyanie kowalencyjne.

molekolarna - w węzłach sieci krystalicznej znajdują się molekuly kture utrymuję sią siatami molekularnymi.

metaliczna- w węzłach sieci krystalicznej znajdują się jony metalu z ladunkiem + między którymi lotowo poruszaja wolne elktrony.

Układ krystalograficzny - system klasyfikacji kryształów ze względu na układ wewnętrzny cząsteczek w sieci krystalicznej. Układ krystalograficzny definiuje się także jako zespół klas symetrii, których elementy powodują jednakowe ograniczenia stałych sieciowych komórki elementarnej sieci przestrzennej. System wyróżnia siedem układów, w których wyróżnia się 32 klasy krystalograficzne.

Układy KRYSTALOGRAFICZNE:

Układ	Jednostki osiowe	Kąty między osiami
regularny	a = b = c	α = β = γ = 90°
tetragonalny	a = b ≠ c	α = β = γ = 90°
rombowy	a ≠ b ≠ c	α = β = γ = 90°
jednoskośny	a ≠ b ≠ c ≠ a	α = γ = 90°; β ≠ 90°
trójskośny	a ≠ b ≠ c ≠ a	α ≠ β ≠ γ ≠ α α, β, γ ≠ 90°
heksagonalny	a = b ≠ c	α = β = 90°; γ = 120°
trygonalny (romboedryczny)	a = b ≠ c (a = b = c)	α = β = 90°; γ = 120° (α = β = γ ≠ 90°)

Anizotropia - cecha charakterystyczna niektórych ciał, głównie krystalicznych, polegająca na tym, że wykazują one różne właściwości fizyczne w zależności od kierunku, w którym się je bada (np. rozchodzenie się dźwięku)

Polimorfizm (wielopostaciowość, różnopostaciowość) - zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tej samej substancji chemicznej. Występuje ono wtedy, gdy ta sama substancja może występować w dwóch lub nawet kilku formach krystalicznych

3. Defekty punktowe i liniowe. Ruch dyslokacji. Powielanie dyslokacji.

Punktowe - W oknie atomz między węzlowe. Tworzy się defektowe atomy międzywęzłowe.

Liniowe (dyslokacje) -liniowa wada budowy sieci krystalicznej polegająca na nierównomiernym rozmieszczeniu węzłów wzdłuż odpowiedniej linii.

-krawędziowe - poprzez wprowadzenie ekstrapłaszczyzny między nieco rozsunięte płaszczyzny -sieciowe, miarą dyslokacji jest wektor Burgersa, wyznaczony poprzez kontur Burgersa i prostopadły do linii dyslokacji krawędziowej,

-śrubowe - powstają w wyniku przesunięcia płaszczyzn atomowych, wektor Burgersa równoległy do linii dyslokacji śrubowej,

-mieszane - śrubowa i krawędziowa występujące w strukturach rzeczywistych,.

Ruch dyslokacji:

-Dyslokacja krawędziowa - może przemierzać się przez poslizy lub wspinanie.

-Dzslokacja śrubowa - jedynie przez poślizgi.

4. Metody otrzymywania kryształów. Krystalizacja odlewów.

Większość technologii otrzymywania materiałów syntetycznych skierowana jest na produkcję materiałów monokrystalicznych.

Metody:

-- Metoda Bridymana - polega na stponiowym schładzaniu wcześniej stopionej masy.

-- Metoda sublimacji - przejcie w stan gazowy utszymujemy krystal dwóch roztworów stałych.

-- Metoda proszkowa - utworzonz obraz jest we postaci współśriodkowych okręgów.

Wykorzystujące substraty wieloskładnikowe; można je podzielić na metody stosujące przejście substratu ze stanu:

- stałego w stały, np. krystalizacja w roztworze stałym

- ciekłego w stały, np. wzrost z roztworu, wzrost przez reakcję chemiczną w roztworze wodnym, bezwodnym, w warunkach hydrotermalnych, kriogenicznych

- gazowego w stały, np. wzrost przez reakcje odwracalne, heteroepitaksję.

Krystalizacja odlewu - jest procesem dwuetapowym, odejmujących zarodkowanie i wzrost zarodków Zależnie od sposobu tworzenia zarodków rozróżnia się zarodkowanie homo- i heterogeniczne. Zarodkowanie homogeniczne jest procesem powstawania fazy stałej z ośrodków (klasterów) będących zgrupowaniami atomów własnych krystalizującej fazy. Zarodkowanie heterogeniczne jest procesem powstawania zarodków w ciekłym metalu na istnejącym podłożu ścianki formy odlewniczej lub cząstek stalych.

5. Odkształcenie plastyczne metali. Metody pomiaru twardości, próba rozciągania, próba udarności, metoda badań zmęczeniowych.

Odkształcenie płastyczne - jest to takie odksztalcenie materiału spowodowane przez działanie naprężeń, które pozostaje po złożeniu naprężeń.

Metody pomiaru twardości:
-pomiar poprzez zarysowanie - metoda Mohsa, metoda pilnikowa, sklerometr

-pomiar poprzez wciskanie twardszego od badanego materiału wgłębnika - metody Rockwella, Brinnella, Vickersa, Shore'a

-pomiar straty energii przy odbiciu się bijaka od badanej powierzchni - metoda Leeba, skleroskop

Statyczna próba rozciągania - podstawowa metoda badań wytrzymałościowych materiałów konstrukcyjnych. Badanie polega na osiowym rozciąganiu znormalizowanej próbki ze stałą szybkością w temperaturze pokojowej (10-35 °C), obniżonej lub podwyższonej, aż do jej zerwania.

Próba udarności.

Polega ona na złamaniu próbki jednym uderzeniem młota wahadłowego i pomiarze energii jej złamania. Próbka jest przy tym podparta swobodnie na obu końcach i posiada karb, który jest ułożony po przeciwnej stronie niż następuje uderzenie młota.

Zmęczeniem materiału nazywa się zmiany występujące w materiale pod wpływem

okresowo zmiennych naprężeń lub odkształceń, które mogą doprowadzić do zniszczenia

materiału.

6. Stopy. Roztwory stałe. Reguła faz. Metody wyznaczania wykresów równowagi.

Stopy - tworzywo skladające się z metalu stanowiącego osnowę do którego wprowadzono co naj mniej jeden pierwiastek w celu zmiany jego właściwości w żądanym kirunku. Stopy mogą być jedno lub wielorazowe.

Roztwór stały - ciało stałe, które jest jednorodną pod względem fizycznym fazą krystaliczną, zawierającą dwa lub więcej składników, np. dwa lub więcej rodzajów jonów metali w sieci krystalicznej. Taką fazę nazywa się roztworem stałym, jeżeli po dodaniu substancji rozpuszczonych do dominującego składnika (rozpuszczalnika) typ struktury krystalicznej nie zmienia się, a parametry sieci zmieniają się stopniowo, wraz ze wzrostem stężenia substancji rozpuszczonych. Układy podwójne. Potrójne układy równowagi.

Reguła faz lub reguła faz Gibbsa - zależność obowiązująca dla każdego układu będącego w równowadze termodynamicznej, łącząca liczbę faz w układzie, liczbę składników niezależnych oraz liczbę stopni swobody:

gdzie:

• 
   - liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych intensywnych, które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu (bez zmiany liczby faz w równowadze)

• 
   - liczba niezależnych składników, a więc takich, które nie dają się określić za pomocą zależności chemicznych poprzez stężenia innych składników (niezależnych).

• 
   - liczba faz, a więc postaci materii jednorodnej chemicznie i fizycznie (np. roztwór, faza gazowa, kryształy o określonym składzie)

Metody wyznaczenia wykresów równowagi - metoda analizy ciplnej polegającej na pomiarze temperatur występujących w czasie nagrzewania lub chlodzenia stopów układu równowagowego. Najprostszym urządzeniem służącym do wyznaczenia tempreratury jest termopara.

7. Układy podwójne. Potrójne układy równowagi.

Układ - to zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej

8. Układ żelazo-węgiel i żelazo-cementyt.

Stop żelaza z węglem - stopy, w których węgiel rozpuszczany jest w żelazie. Węgiel może występować w nich w postaci węgla czystego - grafitu, roztworu stałego w sieci krystalicznej ferrytu lub austenitu albo jako węglik żelaza, np. Fe₃C, zwanego cementytem.

Stopy zawierające poniżej 2,11% (według norm polskich, zaś europejskich 1,75%) węgla to stale lub staliwo, a powyżej tej zawartości to żeliwo.

Wraz ze wzrostem udziału węgla struktura stopu żelaza z węglem przybiera odmienne formy:

-przy bardzo niewielkiej zawartości węgla, poniżej 0,0218% udaje się uzyskać niemal czyste żelazo α zwane ferrytem.

-przy zawartości 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu

-przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, który w czasie dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 723 °C przekształca się w ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką.

-przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy podeutektoidalne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu.

-stopy w zakresie 0,77% do 2,11% - stale nadeutektoidalne - są mieszaninami perlitu i cementytu.

-stopy o zawartości węgla powyżej 2,11% (żeliwo), są mieszaninami ledeburytu przemienionego i perlitu (do 4,3% węgla) lub cementytu (powyżej 4,3% węgla). W przypadku stosunkowo wolnego chłodzenia w stopach tych może także wystąpić grafit.

9. Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich.

Materiałami inżynierskimi nazywamy się stali substancję, których właściwości cynią ją użytecznymi dla ludzi gdyż wykonują się z nich zlożone produkty pracy.

- Materiały krystaliczne

- Mateialy amorficne

- materialy komurkowe

Występuje w przyrodzie

Materiały naturalne materiały sztuczne

Natura wiązań między atomowych

Metale Polimery ceramika

Kompozyty

Metale - duża prewodność elektryczna i cieplna, nieprzezroczyztość możliwość odksztalcenia plastycznego.

Polimery - makrocząsteczki zlożone z idealnych ogriw zwanych merami. Mała gęstośś, właściwości izolacyjne, słabo odbiją światło, duża giętkość i odksztalcalność.

Ceramika - wysoka twardość, kruchość, większa od metali odporność na dzialanie wysokiej temeraturzy, mała przewodność, właściwości izolacyjne.

Kempozyty - ideja materialów kompozytowych wzięla się z potrzeby lączenia ze sobąróżnych materiałów.

10. Materiały ceramiczne.

Materiały ceramiczne to materiały wytworzone z nieorganicznych niemetalowych materiałów, zbudowane z faz będących związkami metali z niemetalami, głównie z tlenem, azotem, węglem, fosforem, siarką.

Struktura ceramik

•Sieć przestrzenna kryształów bardziej złożona niż metali

•Kryształy lub ciała niekrystaliczne

•Wiązania od czysto jonowych do czysto kowalencyjnych

Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych

•wysoka temperatura topnienia

•niski ciężar właściwy

•wysoka twardość

•wysoka wytrzymałość na ściskanie

•niska wytrzymałość na rozciąganie

•niska rozszerzalność cieplna

•mała przewodność cieplna

•dobra żaroodporność i żarowytrzymałość

•dobra odporność na korozję

•duża kruchość Klasyfikacja współczesnej ceramiki w zależności od przeznaczenia i składu Ceramika tradycyjna — materiały uformowane z drobnych ziaren mineralnych i wypalone w wysokiej temperaturze (~1250÷1450°C), w której zachodzą nieodwracalne reakcje. Surowce są pozyskiwane z natury i łatwo dostępne: glinka iłowa, kaolin, glina zwykła i garncarska, margiel ilasty, łupek ilasty, kwarc, mika itd. Formuje się je w stanie plastycznym (mokrym), a następnie suszy i spieka.

Ceramika inżynierska (specjalna) — materiały wytworzone w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze (~1500÷2100°C) bardzo czystych, syntetycznych, drobnoziarnistych proszków (wielkość ziaren poniżej 1μm), bez udziału fazy szklistej, z takich związków jak: tlenki, węgliki, azotki, borki, fosforki i złożone związki na ich osnowie.

Podział ceramiki:

*klasyczna:

- zaprawy betony

- mat ogniotrwałe

- szkła i emalie

*specjalna:

- dewitryfikaty

- kompozyty i spieki (cermetale)

- wysokowytrzymałe

- wysokogabarytowe

- wysokotemperaturowe

*szlachetna:

- monokryształy

*węglowa: - wyr. węglowe

- wyr. grafitowe

- kompozyty C-C

11. Materiały kompozytowe.

Materiał kompozytowy, kompozyt − materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.

Wiele kompozytów wykazuje anizotropię różnych właściwości fizycznych. Nie muszą to być wyłącznie własności mechaniczne. Np. polaroid to przykład kompozytu, który osiągnął sukces komercyjny dzięki jego szczególnym anizotropowym własnościom elektrooptycznym.

Jednymi z najczęściej stosowanych komponentów konstrukcyjnych są silne włókna takie jak włókno szklane, kwarc, azbest, kevlar czy włókna węglowe dając materiałowi dużą odporność na rozciąganie. Do najczęściej stosowanych lepiszczy zaliczają się żywice syntetyczne oparte napoliestrach, polieterach (epoksydach), poliuretanach i żywicach silikonowych.

Materiały kompozytowe znane są ludzkości od tysięcy lat. Np. tradycyjna, chińska laka, służąca do wyrobu naczyń i mebli otrzymywana przez przesycanie wielu cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym” sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e. Równie starym i powszechnie stosowanym od wieków kompozytem jest drewniana sklejka.

Kompozyty mają zastosowanie jako materiały konstrukcyjne w wielu dziedzinach techniki, m.in. w budownictwie (np. beton, żelbet), w technice lotniczej i astronautyce (np. elementy samolotów, rakiet, sztucznych satelitów), w przemyśle środków transportu kołowego i szynowego (np. resory i zderzaki samochodowe, okładziny hamulcowe), w produkcji części maszyn, urządzeń i wyrobów sprzętu sportowego (np. łodzie, narty, tyczki, oszczepy).

Współczesny rozwój materiałów kompozytowych zaczął się jednak dopiero po opanowaniu procesu produkcji żywic syntetycznych, stanowiącym podstawę produkcji laminatów. Jednym z pierwszych kompozytów opartych na tych żywicach był bakelit, pierwszy przedstawiciel fenoplastów. Gwałtowny rozwój materiałów kompozytowych w trakcie i po II wojnie światowej był też związany z rosnącym zapotrzebowaniem przemysłulotniczego, kosmicznego i motoryzacyjnego na lekkie i wytrzymałe materiały, którymi dałoby się zastąpić stal i inne metale. Obecnie, kompozyty stosuje w wielu technologiach - począwszy od implantów stosowanych w medycynie po tanie materiały konstrukcyjne stosowane w budownictwie.

Rodzaje kompozytów

-Kompozyty strukturalne - w których występują ciągłe struktury komponentów konstrukcyjnych - warstwy (np. sklejka), pręty (np. żelbet) lub regularne struktury trójwymiarowe np. przypominające plaster miodu,

-laminaty - które składają się z włókien zatopionych w lepiszczach - w zależności od sposobu uporządkowania włókien rozróżnia się taśmy kompozytowe - włókna ułożone w jednym kierunku - maty kompozytowe - w dwóch prostopadłych kierunkach - lub nieuporządkowane np.pykret,

-mikrokompozyty i nanokompozyty - w których regularna struktura dwóch lub więcej składników jest zorganizowana już na poziomie nadcząsteczkowym - tego rodzaju kompozyty występują w organizmach naturalnych - np. drewno - jest rodzajem mikrokompozytu, w skład którego wchodzą zorganizowane w skręcone pęczki włókna celulozowe, "sklejone" ligniną - współcześnie próby sztucznego otrzymywania tego rodzaju kompozytów są prowadzone w ramach badań nanotechnologicznych,

-stopy strukturalne - które są rodzajem stopów metali, metali z niemetalami, polimerów między sobą oraz polimerów z metalami i niemetalami o bardzo regularnej mikrostrukturze - przykładem tego rodzaju kompozytu jest stal damasceńska i duraluminium.

12. Polimery- rodzaje, właściwości, przetwórstwo.

Polimery (gr. polymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) - substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Przez "bardzo dużą masę cząsteczkową" rozumie się zwykle taką sytuację, gdy odjęcie lub przyłączenie jednego meru nie zmienia w zasadniczym stopniu ogólnych własności chemicznych i fizycznych związku chemicznego. Odróżnia to polimery od oligomerów, które mają jeszcze na tyle małą masę cząsteczkową, że dodanie do nich lub odjęcie jednego meru skutkuje zauważalną zmianą np. ich temperatury topnienia.

Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych. Polimery syntetyczne są podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Polimery syntetyczne otrzymuje się w wyniku łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne zwanych monomerami.

Podział polimerów

-ze względu na ich pochodzenie

-ze względu na topologię cząsteczek, czyli ich ogólny kształt przestrzenny

-ze względu na jednorodność budowy

---