Materiałoznawstwo - termin zerowy. IMIR

Cz. I. Niektóre mechanizmy zniszczenia materiałów, materiały niemetaliczne, ich struktura.

Mechanizmy zniszczenia:

1. Zniszczenie przez odkształcenie plastyczne na zimno, jego dyslokacyjny mechanizm. Mechanizmy umocnienia stopów metalicznych: roztworowy, wydzieleniowy, dyslokacyjny, przez granice ziaren. Statyczna krzywa rozciągania metali (stali), jej parametry: E, R_m, R_e, A_r, A_s, A₅. Miary twardości, udarność, zależność udarności stali niskowęglowych od temperatury, próg kruchości.

Zniszczenie przez odkształcenie plastyczne na zimno, jego dyslokacyjny mechanizm:

Zniszczenie - trwałe odkształcenie elementu wywołane różnymi czynnikami.

Odkształcenie plastyczne - reakcja materiału na naprężenia powstałe w wyniku przyłożonych obciążeń zewnętrznych. Zachowanie sprężyste oznacza, że odkształcenie znika po usunięciu naprężenia  Dalszy wzrost naprężeń powoduje przekroczenie granicy plast., a w konsekwencji trwałą zmianę kształtu, która zależy od stopnia odkształcenia plastycznego.

Odkształcenie plastyczne na zimno następuje podczas odkształcenia przeprowadzonego poniżej temperatury rekrystalizacji, wywołuje zmiany w strukturze krystalicznej, powoduje zwiększenie się dyslokacji oraz defektów punktowych, które wpływa na zwiększenie się energii wewnętrznej.

Odkształcenie plastyczne zachodzi w metalach na drodze poślizgu oraz bliźniakowania mechanicznego, w obu przypadkach poprzez ruch dyslokacji. liniowych defektów sieciowych) w kierunku poślizgu.

Odkształcenie poprzez poślizg następuje w uprzywilejowanych płaszczyznach krystalograficznych, w kierunkach o najgęstszym ułożeniu atomów. rys. 1.1

Bliźniakowanie mechaniczne - skręcenie pewnej objętości sieci krystalograficznej o stały określony kąt względem płaszczyzny nieodkształconej. Bliźniak porusza się w metalu z prędkością dźwięku.

Każda przeszkoda na drodze przemieszczającej się dyslokacji powoduje umocnienie materiału.

Mechanizmy umocnienia stopów metalicznych:

Utwardzanie wydzieleniowe: składa się z dwóch zabiegów: przesycenia i starzenia.

Przesycenie - nagrzanie stopu do zaistnienia jednorodnego roztworu stałego celem rozpuszczenia wydzielonej fazy, wygrzaniu, a następnie na tyle szybkim chłodzeniu, aby nie wydzieliła się rozpuszczona uprzednio faza. Stop uzyskuje strukturę jednofazową.

Starzenie - nagrzanie uprzednio przesyconego stopu do temp. niższej od linii granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temp. i chłodzeniu. Podczas starzenia następuje wydzielenie z przesyconego roztworu składnika znajdującego się w nadmiarze. Wydzielony składnik staje na drodze dyslokacji i silnie umacnia materiał.

Umocnienie roztworowe: polega na wprowadzaniu do stopu atomów obcych, zastępujących w sieci krystalicznej atomy rodzime, obce atomy wciskając się w strukturę sieci wywołują naprężenia „uciskając” sąsiednie atomy, utrudnia to ruch dyslokacji co w dużym stopniu utwardza materiał.

Umocnienie dyslokacyjne: uzyskuje się je przez odkształcanie materiału. Gęstość linii dyslokacji rośnie, spotykają się one z liniami ulokowanymi na innych płaszczyznach co w końcowym efekcie umacnia materiał.

Umocnienie przez granice ziaren: ziarna w polikrysztale dokładnie do siebie pasują, ale różnią się orientacją krystalograficzną. Na granicach ziarn struktura krystaliczna jest zaburzona lecz wiązania atomowe poprzez granice są zazwyczaj ba tyle liczne i silne, że granica zazwyczaj nie osłabia materiału. Gdy polikryształ zaczyna odkształcać się plastycznie poślizg rozpoczyna się w tych ziarnach, w których płaszczyzny poślizgu są najmniej odchylone od kierunku naprężenia poślizgu dyslokacji. Następnie rozprzestrzenia się on na inne ziarna mniej korzystnie zorientowane. Stąd przekroczenie granicy plastycznej nie odbywa się wszędzie jednocześnie, a wiele ziarn jest zorientowanych niekorzystnie dla uruchomienia poślizgu (utrudnienie odkształcenia).

Statyczna krzywa rozciągania metali (stali), jej parametry:

rys. 1.3

Statyczna krzywa rozciągania: Najważniejszym parametrem otrzymywanym z SKR jest granica plastyczności R_e - podstawa obliczania wytrzymałości elementów konstrukcji. Nie jesteśmy w stanie jednoznacznie określić R_e - dlatego stosuje się pewne zaokrąglenia. Na krzywej można wyróżnić 3 fazy:

1. Zakres odkształceń sprężystych

2. Zakres odkształceń równomiernych - granica wytrzymałości R_m =F_max/S₀

3. Nierównomiernych odkształceń plastycznych (w stopach posiadających rozpuszczone atomy międzywęzłowe)

Krzywą taką otrzymujemy poprzez graficzny zapis odczytów zrywarki.

Plastyczność charakteryzuje A_n -wydłużenie względne po zerwaniu na umownej długości pomiarowej (najczęściej 5 lub 10 średnic A₅, A₁₀).

Ważną charakterystyką plastyczności jest wydłużenie równomierne A_r - równomierne odkształcenie plastyczne do momentu tworzenia się szyjki na próbce.

Miary twardości:

Metoda Brinella (HB) - penetratorem jest wypolerowana kulka z węglików spiekanych, penetrator jest wciskany w płaską gładką powierzchnię a po jego usunięciu mierzy się średnicę d powstałego odcisku

H = F/S; S - powierzchnia

Metoda Vickersa (HV) - penetrator - diamentowy ostrosłup prawidłowy o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym między przeciwległymi powierzchniami bocznymi to 136º

Penetrator jest wciskany w powierzchnię badanej próbki, a następnie są badane długości przekątnych powstałego odcisku.

H=F/S

Metoda Rockwella (HRA, HRC)

Dla skali B penetratorem jest kulka ze stali (1/16 cala) dla skali C stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120º . Wciskanie penetratora odbywa się dwustopniowo - obciążenie wstępne dla wyeliminowania błędów - 10kG, następnie zwiększa się obciążenie 100kG dla kulki, 150kG dla stożka.

H=k*d; k - jakiś współczynnik, d - głębokość odcisku

Metoda ta należy do najprostszych i jest szeroko stosowana.

W pewnych granicach można porównywać ze sobą twardości zmierzone różnymi metodami.

Udarność

Udarność charakteryzuje odporność materiału na obciążenia dynamiczne.

Miarą udarności jest E - energia złamania mierzona młotem Charpy E=E_Z+E_R (E_R - energia zarodkowania) odniesiona do przekroju pod karbem S. U=E/S.

Pomiary dokonuje się używając tylko dwóch rodzajów znormalizowanych próbek - Charpy V o Charpy U, dlatego jako miary udarności często używamy samej energii E. Energie zarodkowania pęknięcia E_Z dla obu próbek są różne, dlatego nie można porównywać ze sobą udarności zmierzonej na próbkach U i V.

Zależność udarności stali niskowęglowych od temperatury

Stale niskowęglowe mają dużą odporność na obciążenia dynamiczne. Im więcej zawartości węgla w stali tym bardziej próg kruchości przesuwa się w kierunku wyższych temp. co oznacza, że trzeba włożyć mniej energii by złamać próbkę.

Próg kruchości

Próg kruchości : to temperatura dla danego materiału w której staje się on uległy na kruche pękanie.

rys 1.3

2. Zniszczenie przez katastroficzne (kruche) pękanie, wiązkość Gc, współczynnik intensywności naprężeń K=σ a ,krytyczny współczynnik intensywności naprężeń Kc=σ a_kr .

Zniszczenie przez katastroficzne (kruche) pękanie, wiązkość Gc:

Obserwuje się je w konstrukcjach wykonanych z materiałów o dużej wytrzymałości. Przy dużym obciążeniu konstrukcja taka w swej objętości magazynuje dużą ilość energii sprężystej. Gdy uwalniana podczas rozwoju pęknięcia energia sprężysta Us będzie równa (lub większa) od energii potrzebnej do utworzenia nowych powierzchni rozdziału (S) U_R=Gc*S (Gc-wiązkość, energia potrzebna do powstania jednostki m2 powierzchni ) to nastąpi katastroficzne -rozprzestrzeniające się szybkością dźwięku pęknięcie. Zwykle, po zapoczątkowaniu pęknięcia, uwalniana energia sprężysta przewyższa ilość energii potrzebnej do rozwoju nowych powierzchni rozdziału -jej nadmiar często demoluje otoczenie, stąd nazwa „katastroficzne”

Nazwa „kruche” związana jest z tym że na powierzchni pęknięcia nie obserwuje się wyraźnych śladów deformacji plastycznej.

Matematyczna postać inicjacji małego pękania:

Katastrofa wystąpi gdy Us=Ur czyli gdy:

σ(πa_kr^(  σ(π*a^(1/2)

czyli gdy:

σ(πa_kr^(  (Gc^(1/2)

E -moduł Yanga

σ - naprężenie

rys. 2.1

3. Zniszczenie przez cykliczne zmęczenie, krzywa Wohlera. Zmęczenie nisko i wysoko cyklowe.

Zniszczeniem przez zmęczenie nazywamy procesy zachodzące pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń które mogą być:

- wyższe od granicy plastyczności R_e - zmęczenie niskocyklowe

- niższe od granicy plastyczności R_e - zmęczenie wysokocyklowe

Pęknięcie zmęczeniowe rozwija się stopniowo, pogłębiając się powoli na przekroju przedmiotu. Po krytycznym osłabieniu przekroju następuje nagłe pęknięcie pozostałej części. Pęknięcia te zarodkują na występujących na powierzchni elementu nieciągłościach (np: karbach) lub wtrąceniach niemetalicznych oraz cząstkach innej fazy. W tych miejscach powstają koncentracje naprężeń, które stają się początkiem przełomu zmęczeniowego.

Definicja wytrzymałości zmęczeniowej wynika z zależności między wielkością amplitudy naprężenia zmiennego σ a liczbą cykli wywołujących pękniecie N. Zależność taka jest przedstawioną za pomocą krzywej Wohlera..

rys. krzywej Wohlera

Dla elementów pozbawionych pęknięć (np.: wały, sworznie) - pękanie kontrolowane procesem inicjacji pęknięcia.

a) wysokocyklowe zniszczenie zmęczeniowe - zniszczenie zmęczeniowe poniżej granicy plastyczności, ponad 10⁴ cykli do zniszczenia np.: koła, półosie, elementy silników

b) niskocyklowe zniszczenie zmęczeniowe - zniszczenie zmęczeniowe, powyżej granicy plastyczności, poniżej 10⁴ cykli do zniszczenia np.: kadłuby samolotów, części turbin, elem. rdzeni reaktorów atomowych

Znając parametry materiału (stałe materiałowe) można obliczyć ilość cykli do zniszczenia N_f :

- dla zakresu niskocyklowego (σ>R_e) posługując się prawem Coffina-Mansona ∆ε_pl*N_f^b=C₂ b i C₂ to stałe materiałowe rys. z wykładu str nr 6

- dla zakresu wysokocyklowego (σ<R_e) posługując się prawem Basquina ∆ε*N_f^a=C₁ a i C₁ , ∆ε - amplituda cyklu, N_f - ilość cykli do zniszczenia

Dla elementów z pęknięciami (np.: pęknięcia spawalnicze) - pękanie kontrolowane procesem rozwoju pęknięć np.: praktycznie każda duża konstrukcja, a w szczególności konstrukcje spawane: mosty, statki.

Inne, rzadziej spotykane rodzaje zmęczenia: zmęczenie cieplne: lufa armatnia, zmęczenie termokompensacyjne: elementy energii parowej, energetycznej.

4. Zniszczenie przez pełzanie materiałów, temperatura krytyczna, krzywa pełzania przy stałym T i σ, charakterystyki pełzania, (R_z/t, R_/t).

Materiały pracujące w podwyższonych temp. odkształcają się trwale przy naprężeniach znacznie niższych od granicy plastyczności, a odkształcenie zachodzi przy stałym naprężeniu i jest zależne od czasu. Takie odkształcenie nazywamy pełzaniem. Zniszczenie przez pełzanie należy uwzględniać przy wyższych temperaturach eksploatacji T > T_kr.

Dla stali 400-550ºC, ~30ºC dla lodu, polimerów.

T_kr w ogólnym przypadku zależy od temp topnienia T_s T_kr=α* T_s, gdzie α = 0.3-0.4 dla stopów metali, α=0.4-0.5 dla ceramik.

Odkształcenie przy pełzaniu ε_p = f(T, σ, τ)

Próby pełzania przeprowadza się przy temp. T i naprężeniu σ rejestrując odkształcenie ε_p i czas τ Próby te charakteryzują się dużą czasochłonnością (miesiące i lata 10000 ~1 rok i 2 miesiące), aby je skrócić stosuje się różne modele pełzania a próby przeprowadza przy wyższych temperaturach i naprężeniach.

Charakterystyki pełzania:

R_ε/τ - naprężenie, które przy danej temp. po czasie τ odkształci próbkę do wartości ε. np.: R_1%/10000h

R_Z/τ - naprężenie, które przy danej temp. po czasie τ spowoduje zniszczenie próbki. np.: R_Z/1000h

Typowym wykresem jest poniższy wykres, w którym możemy wyróżnić trzy zakresy, odpowiadające trzem stadiom pełzania.

Stadium I - cechuje się zmniejszeniem nachylenia krzywej, co wskazuje na spadek prędkości pełzania. W okresie tym decydującą rolę odgrywają procesy, które umacniają materiał, jak wzrost gęstości defektów, zgniot oraz procesy wydzielania. Z upływem czasu zaczynają się rozwijać procesy przeciwdziałające umacnianiu, aż wreszcie ustala się równowaga dynamiczna materiału.

Od tego momentu zależność wydłużenia od czasu jest prostoliniowa (stadium II). Do czynników osłabiających należą: zdrowienie i rekrystalizacja lub rozpuszczanie wydzieleń.

W stadium III następuję wzrost nachylenia krzywej, co jest związane ze zwiększeniem naprężeń w wyniku zmniejszenia czynnego przekroju próbki. Zmniejszenie to jest spowodowane powstaniem wewnętrznych pustek wskutek poślizgu po granicach ziarn, a następnie utworzeniem się szyjki.

Odkształcenie w wyniku pełzania jest wynikiem zachodzenia trzech różnych procesów:

• dyfuzyjnego ruchu wakacji między obszarami znajdującymi się pod działaniem naprężeń rozciągających i ściskających

• ruchu dyslokacji przez poślizg i wpinanie w ziarnach

• poślizgu po granicach ziarn

Krzywa pełzania (T i σ = const)

5. Zniszczenie przez powierzchniowe utlenianie przy wysokich temperaturach. Czynniki określające skłonność do wysokotemperaturowego utleniania - kinetyki procesu. Materiały (pierwiastki) odporne na utlenianie.

Działanie atmosfery pieca na stal.

W piecach bez atmosfer ochronnych na stal działa nagrzane do wysokiej temperatury powietrze, w wyniku czego występują dwa niekorzystne zjawiska: utleniania i odwęglania stali.

W atmosferze pieca ogrzewanego spalinami gazu mogą znajdować się — oprócz azotu — takie gazy, jak: CO₂, CO, H₂, H₂O, węglowodory C_xH_y i związki siarki H₂S i SO₂.

Utlenianie następuje mechanizmem dyfuzji reaktywnej. W pierw­szym etapie tworzy się warstwa tlenków żelaza (zgorzeliny), której gru­bość x jest uwarunkowana dyfuzją atomów żelaza i tlenu przez warstwę, a więc rośnie z czasem wg wzoru: x² = P , gdzie P — stała zależna wykładniczo od temperatury.

Równania nie stosuje się, jeśli warstwa tlenków jest nieszczel­na i łatwo odpryskuje od podłoża. Wtedy proces utleniania jest szybszy.

Najczęściej utlenianie następuje wg reakcji

a) 2Fe + O2 2FeO,

b) Fe + CO2 FeO + CO,

c) Fe + H₂O FeO + H₂.

Sposoby ochrony przed wysokotemperaturową korozją:

• nanoszenie warstwy na powierzchnię materiału (Al, Si, Cr),

• wprowadzenie do struktury stali (Al, Si, Cr).

6. Zniszczenie powierzchniowe przez korozję elektrochemiczną (atmosferyczną). Mechanizm -czynniki określające podatność na korozję, metody ochrony.

Zniszczenie powierzchniowe przez korozję elektrochemiczną.

Utlenianie przebiegające intensywnie przy wysokich temperaturach, przy temperaturach klimatycznych (+/-20 `C) jest b. wolne. Tym niemniej tworzywa metaliczne mogą ulegać zniszczeniu wskutek obecności wilgoci (wody) w której rozpuszczają się inne pierwiastki (O^-2, Cl^-1, SO₄^-2) tworząc elektrolit. Powoduje to powstawanie na powierzchni stopu mikroogniw korozyjnych.

Mechanizm - czynniki określające podatność na korozję:

Ogniwo korozyjne powstaje również przy połączeniu dwóch metali o różnej elektroujemności - metal o wyższej elektroujemności staje się katodą i jest chroniony przed korozją. Metal o niższej elektroujemności staje się anodą i narażony jest na działanie korozji. Przykładem jest połączenie Cu-Fe - żelazo będzie korodowało dużo szybciej, gdyż stanie się anodą. Innym przykładem jest połączenie Fe-Zn - w tym przypadku żelazo będzie obszarem katodowym, dzięki czemu będzie odporne na korozję, natomiast Zn przejmie rolę anody i będzie się utleniał (korodował).

Dodatnie anodowe atomy łączą się z tlenem - korodują

Ujemne atomy katodowe oddają elektrony powodując reakcjęH2O+ O2 + 4e- = 4OH-

Czym niższy potencjał anodowy pierwiastka tym większa skłonność do korozji jest to analogia energii utleniania. Li - 3.05V, Al. - 1.66, Zn - 0.76V

Podobnie jak podczas utleniania szybkość korozji zależy od budowy (szczelności) powstającej warstwy produktów korozji. Rodzaj korozji zależy od wzajemnego rozmieszczenia obszarów anodowych i katodowych zależnych od niejednorodności chem. materiału lub elektrolitu.

Rozróżniamy kilka typów korozji elektrochemicznej:

- korozja równomierna

- korozja wżerowa

- korozja międzykrystaliczna

- korozja naprężeniowa

- korozja zmęczeniowa

Odporność na korozję:

Odporność na korozję możemy zwiększyć poprzez:

• zmianę składu chemicznego, objętościowo w procesie wytwarzania lub powierzchniowo przez obróbką cieplno-chemiczną lub platerowanie

• obróbkę cieplną prowadzącą do jednofazowej struktury, wyżarzanie odprężające jest zalecane w celu zapobiegania korozji naprężeniowej

• nanoszenie na powierzchnię powłok ochronnych metalowych lub niemetalicznych, takich jak farby, lakiery, emalie smary tworzywa sztuczne, a także wytwarzanych metodami inżynierii powierzchni

• ochronę katodową, anodową, protektorową i wprowadzanie do ośrodków korozyjnego inhibitorów

Materiały niemetaliczne:

7. Struktura polimerów, budowa molekuł (ich wielkość -stopień polimeryzacji), kopolimeryzacja, budowa amorficzna- częściowa krystalizacja, sieciowanie- (na przykładzie gum), wpływ na własności.

Polimery to związki wielkocząsteczkowe spotykane w przyrodzie (skrobia, celuloza, kauczuk naturalny). W technice praktyczne znacznie mają jednak związki syntetyczne lub związki naturalne przetworzone z takich surowców jak gaz ziemny, ropa, nafta itp.

Rozróżniamy pojęcia: „tworzywo naturalne” i „polimer”. Tworzywo sztuczne to polimer + dodatki - posiada ono własną nazwę handlową zależną od pochodzenia i ilości oraz rodzaju dodatków.

Wyróżnia się polimery termoplastyczne, termoutwardzalne i elastomery. Ponieważ polimery termoplastyczne miękną po nagrzaniu, dlatego są formowane w podwyższonych temp. dzięki lepszemu płynięciu. Mogą one być wielokrotnie formowane. Polimery termoutwardzalne są mocniejsze i bardziej kruche od polimerów termoplastycznych. Po utworzeniu wiązań poprzecznych (sieciowaniu, które zwiększa wytrzymałość, twardość, a zmniejsza plastyczność molekuł) podczas procesu formowania ich ponowne formowanie nie jest możliwe. Polimeryzacja wszystkich trzech grup zaczyna się od utworzenia długich łańcuchów w których atomy są złączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Ilość i siła wiązań kowalencyjnych utworzonych między łańcuchami podczas formowania nadaje każdej grupie polimerów specyficzne własności.

Budowa molekuł (przedstawione na przykładzie polietylenu) - to najczęściej długa liniowa lub rozgałęziona molekuła składająca się z jednakowych, powtarzających się periodycznie elementów zwanych merami (np. nCH₂). Ilość merów w molekule waha się zwykle od 1000 do 100 000. Masa cząsteczki może dochodzić do 1 000 000 j.m.a. Pomiędzy cząsteczkami powstają siły Van der Waalsa. Przy mniejszych długościach cząsteczek zmienia się stan substancji np. polietylen (CH₂)n przy 20ºC i stopniu polimeryzacji n<200 jest gazem, 200<n<500 cieczą, n >500 ciałem stałym.

Każda cząsteczka polimeru charakteryzuje się tzw. stopniem polimeryzacji n. Nie wszystkie cząsteczki w danym materiale posiadają ten sam stopień polimeryzacji (masę cząsteczkową). Przy syntezowaniu molekuł za pomocą określonej technologii występuje pewien rozrzut mas cząsteczek - cząsteczki nie są jednakowe. Od stopnia polimeryzacji o rozkładu wokół masy średniej - uzależnionych od technologii produkcji zależą własności mechaniczne polimeru. Im większy jest n tym większa jest wytrzymałość, twardość, lepkość, mniejsza plastyczność, udarność.

stopień polimeryzacji = masa cząsteczkowa polimeru/ masa cząsteczkowa meru

Molekuła może być zbudowana z jednego rodzaju merów (homopolimery), często spotykamy się z molekułami zbudowanymi z różnych merów - kopolimerami. Zbudowana w ten sposób molekuła posiada uśrednione korzystne własności wchodzących w jej skład merów. Można w ten sposób uzyskiwać produkty o zaprogramowanych własnościach.

Wewnątrz molekuły występują silne wiązania kowalencyjne, wzajemnemu przemieszczaniu się molekuł przeciwdziałają słabe oddziaływania Van der Waalsa. Siły te warunkują ułożenie molekuł w przestrzeni, ich uporządkowanie wpływające na proces krystalizacji.

W odpowiednich warunkach może dojść do lokalnego występowania wiązań silnych - kowalencyjnych pomiędzy liniowymi molekułami sieciowania. Utrudnia to, wręcz uniemożliwia wzajemne przemieszczanie się molekuł względem siebie. Mówimy wtedy o budowie usieciowanej (wulkanizacja - sieciowanie siarką).

Własności polimerów zależą w dużym stopniu od przestrzennego ułożenia molekuł - budowy polimerów, która może być zarówno regularna - krystaliczna jak i bezpostaciowa - amorficzna. Charakterystyczną cechą dla budowy krystalicznej jest to, że poszczególne cząsteczki polimeru są umieszczone w przestrzeni regularnie.

Stopień krystalizacji może się zawierać w granicach od 0 do 100%. Jego wielkość jest uzależniona m.in. od technologii produkcji.

Budowa amorficzna jest charakterystyczna dla produktów wytwarzanych z polimerów, które otrzymujemy poprzez odparowanie rozpuszczalnika.

Polimeryzacja jest procesem łączenia się związków małocząsteczkowych w makrocząsteczki w kształcie długich łańcuchów lub trójwymiarowych sieci przestrzennych.

Reakcję polimeryzacji w której uczestniczy więcej niż jeden rodzaj monomerów nazywa się kopolimeryzacją. Rozłożenie merów poszczególnych składników wzdłuż łańcuchów kopolimerów może być przemienne, statyczne, blokowe, lub takie, że łańcuchy składające się z merów poszczególnych składników są ze sobą sczepiane.

rys 7.2

8. Ogólne własności polimerów (ciężar właściwy, przewodność i inne). Składniki modyfikujące własności polimerów (napełniacze, pigmenty,... i inne).

Ogólne właściwości polimerów są wypadkową różnych czynników, m.in.: składu chemicznego, struktury wynikającej z technologii otrzymywania polimerów. Przy czym w porównaniu z metalami własności polimerów są w większym stopniu zależne od technologii ich otrzymywania i zawierają się w większym zakresie wartości.

Wszystkie polimery są nieodporne na starzenie się pod wpływem światła, wody, powietrza.

• gęstość [g/cm³] - od 0,9 do 2,2. Najmniejszą gęstością charakteryzują się polimery, które zbudowane są z węgla i wodoru, największą polimery zawierające tlen, azot, fluor, chlor. Gęstość jest także uzależniona od stopnia krystalizacji, dla tego samego materiału o różnych stopniach krystalizacji różnica gęstości może sięgać kilku procent.

• chłonność wody - od 0,0n% (dla polietylenu, polistyrenu) do 1n% (dla celulozy). Zależy bardzo silnie od stopnia krystalizacji K (gdy K - maleje wtedy chłonność rośnie co tłumaczy się tym, że cząsteczki wody łatwo wnikają w obszary amorficzne). Po wchłonięciu wody przez polimery następuje zmiana geometrii, pęcznienie, spada wytrzymałość o 30-40%.

• rozpuszczalność w rozpuszczalnikach - cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać pomiędzy liniowe molekuły - zmniejszają się wtedy siły międzycząsteczkowe. Początkowo powoduje to pęcznienie, dalsza penetracja może doprowadzić do powstawania roztworów. Roztwory takie można wykorzystywać jako kleje lub do pokrywania polimerem powierzchni (farby emulsyjne) - po odparowaniu rozpuszczalnika na powierzchni pozostają równomiernie rozłożone cząsteczki polimerów.

• odporność chemiczna - istnieją polimery które nie ulegają zniszczeniu w zetknięciu z silnie reagującymi substancjami chemicznymi (np. teflon - mogący służyć do przechowywania wody królewskiej) jednak większość polimerów jest nieodporna na działanie rozpuszczalników organicznych.

• ciepło właściwe - kilka razy mniejsze od ciepła właściwego metali, przewodność cieplna polimerów jest także mniejsza niż metali. Dlatego wykorzystuje się polimery jako bardzo dobre izolatory cieplne. Właściwości te są potęgowane poprzez wspienianie. Właściwość ta jest jednak wadą gdy mamy do czynienia z tarciem, np. w łożyskach ślizgowych gdzie wydzielane ciepło musi zostać szybko odprowadzane aby nie dopuścić do wzrostu temp. i termicznego zniszczenia polimeru. Zapobiega się temu wykonując jeden z elementów ciernych z metalu. Polepszenie przewodności cieplnej można osiągnąć przez dodawanie jako napełniaczy proszków metalowych lub grafitowych.

• rozszerzalność cieplna - około kilkanaście razy większa niż metali. Powoduje to kłopoty we współpracy z metalami poprzez niedopasowanie współpracujących ze sobą elementów w czasie zmiany temperatury.

• przewodność elektryczna - polimery są doskonałymi izolatorami. Jest to efektem istnienia wiązań kowalencyjnych co powoduje, że nie istnieje wewnątrz materiału gaz elektronowy, który umożliwiałby przewodzenie. Zjawisko to eliminują w pewnym stopniu napełniacze - antystatyki. W warunkach laboratoryjnych możliwe jest uzyskanie tworzyw sztucznych o stosunku przewodności do ciężaru, lepszej niż miedzi jednak nie znalazły one szerszego zastosowania ze względów ekonomicznych.

Dodatki:

W celu polepszenia własności użytkowych lub obniżenia kosztu wytwarzania wprowadza się do polimerów różnego rodzaju dodatki.

1. Plastyfikatory - zmiękczacze

Polimery w czystej postaci są materiałami kruchymi w barwie biało-żółtej o właściwościach powodujących, że niemożna go bezpośrednio wykorzystywać do wielu zastosowań. Zmiękczacze - substancje których małe cząsteczki wnikając pomiędzy cząsteczki polimerów powodują zwiększenie odległości pomiędzy cząsteczkami polimeru i tym samym osłabienie więzi między nimi. Powyższy proces powoduje polepszenie plastyczności i udarności, ale też

pogorszenie wytrzymałości.

2. Środki poślizgowe i smarujące

Większość tworzyw termoplastycznych jest przetwarzana w podwyższonych temperaturach. Po przetworzeniu następuje ochłodzenie matrycy. Wybicie wytłoczki z matrycy jest możliwe dzięki dodatkom poślizgowym.

3. Antystatyki - domieszki zwiększające przewodność elektryczną.

Spoistość materiałów wykonanych z wykorzystaniem polimerów zostaje zachowana dzięki istnieniu między polimerami sił kowalentnych oraz Van der Wallsa, dzięki czemu w przestrzeni międzyatomowej nie występuje gaz elektronowy. To powoduje, że materiały wykonane z wykorzystaniem polimerów są doskonałymi izolatorami i na ich powierzchni gromadzą się ładunki elektrostatyczne o dużych wartościach. Zjawisko to zostaje ograniczone poprzez dodawanie antystatyków, jednak nie zostaje zlikwidowane całkowicie co zawęża zakres zastosowań tworzyw sztucznych do przypadków w których powyższa włściwość nie odgrywa dużej roli.

4. Środki utrudniające palenie się polimerów

Fakt szerokiego stosowania w życiu codziennym tworzyw sztucznych produkowanych z wykorzystaniem polimerów przy jednoczesnej łatwopalności tych tworzyw spowodował, że zwrócono uwagę na niebezpieczeństwo jakie stwarzają one w czasie pożaru. Przy wzroście temp. następuje między innymi rozkład termiczny w wyniku którego wydzielają się niebezpieczne dla życia gazy, oprócz tego następuje gwałtowne wydzielanie się energii cieplnej wzmagające pożar. Sposobem na zapobieżenie tego typu niebezpiecznym sytuacjom jest dodawanie do składu tworzyw sztucznych substancji pochłaniających duże ilości ciepła tym samym zapobiegając powstaniu płomienia i rozszarzenia pożaru.

5. Profory - środki spieniające

W wyniku dodania do polimeru środków powodujących w czasie przetwarzania (utwardzania) wydzielanie się gazów w całej objętości, tworzy się porowata struktura materiału. Utworzone w ten sposób materiały posiadają doskonałe właściwości izolujące termiczne i akustyczne, dzięki czemu znajdują szerokie zastosowanie w budownictwie (styropian).

6. Środki barwiące

a) pigmenty - powodują nieprzezroczyste zabarwienie,

b) barwniki - powodują przezroczyste zabarwienie

7. Stabilizatory

To substancje, które zapobiegają starzeniu się materiałów pod wpływem powietrza, światła, wody. Inhibitory - substancje przeciwdziałające usieciowaniu i polimeryzacji, umożliwiając przechowywanie żywic i granulatów przez wyraźnie dłuższy okres niż bez inhibitorów.

8. Napełniacze - substancje makroskopowe

- w postaci proszków - kwarc, porcelana, grafit, metale, tlenki metali. Cząsteczki proszku zawarte w polimerach powodują (dzięki dużej twardości proszku), że zwiększa się twardość i odporność na ścieranie tak powstałego materiału.

Jeżeli proszkiem jest grafit to w czasie ścierania wydostaje się on na powierzchnię smarując ślizgające się po sobie elementy, zmniejszając tym samym współczynnik tarcia. Oprócz tego stosując grafit jako wypełniacz zwiększa się przewodność elektryczną danego materiału, co zapobiega gromadzeniu się ładunku na powierzchni tworzywa sztucznego.

- w postaci włókien (np. szklanych węglowych, azbestowych, bawełnianych). Tego typu napełniacze zwiększają wytrzymałość i udarność. Jedną z form stosowania włókien jako napełniaczy jest splatanie ich w maty i stosowanie w tej postaci.

- w postaci arkuszy - napełniaczami są tutaj wspomniane wyżej maty splecione z włókien. Materiały takie nazywane są kompozytami, przykładem może być kompozyt materiału bawełnianego związany tworzywem fenolowym - tekstolit.

9. Zależność własności mechanicznych polimerów od temperatury -ich specyfika (w porównaniu z metalami), metody oceny.

Materiały metaliczne zbudowane są z atomów o jednakowych masach atomowych, które ułożone są w sposób regularny. W przestrzeni pomiędzy nimi występują jednakowe siły. Podwyższona temperatura takiego układu powoduje spadek własności mechanicznych (udarność, granica plastyczności, twardość). Po osiągnięciu temperatury topnienia własności gwałtowanie spadają.

Polimery składają się z molekuł o różnej masie cząsteczkowej. Siły oddziaływania pomiędzy nimi są różne, zależą od wielkości i kształtu molekuł. Posiadają zwykle strukturę dwufazową (krystaliczną i amorficzną). Wzrost temperatury wpływa odmiennie na obie fazy. Ich topnienie zachodzi przy różnych temperaturach. Czynniki te powodują, że zależność własności od temperatury ma bardzo złożony charakter i jest trudna do określenia. Charakterystyczna dla każdego polimeru temperatury to: Tz- temp. zeszklenia (analogia do temp krzepnięcia metali); Tp - temp. płynięcia (temperatura topnienia metali); Tr - temp. rozpadu. Na tej podstawie można wyznaczyć trzy podstawowe stany polimeru:

1. stan szklisto kruchy T<Tz

2. stan kauczukopodobny (elastyczny) Tz<T<Tp

3. stan lekkopłynny Tp<T<Tr

W stanie A polimery są sztywne i twarde. Posiadają niską udarność i dużą kruchość. Powodem tego jest zamrożenie molekuł - nie mogą się one przemieszczać względem sibie

W stanie B molekuły mogą nieznacznie zmieniać swoje położenie względem siebie. Zwykle spowodowane jest to roztopieniem fazy amorficznej.

Stan C charakteryzuje się dużą plastycznością. Molekuły mogą przemieszczać się i dowolnie formować. Polimer zachowuje się jak ciecz o dużej lepkości.

W przypadku polimerów termo i chemoutwardzalnych niemożliwe jest uzyskanie stanu „C”, gdyż ich temp. rozpadu jest niższa od temp. płynięcia.

Ocena odporności cieplnej polimerów:

- za pomocą temperatury mięknienia - wartość temp. przy której materiał zaczyna mięknąć przy stałym wzroście temp 50K/h - obciążony penetrator (5kG) naciska na próbkę - w momencie, gdy odkształcenie wynosi 1 mm odczytuje się pomiar temperatury - jest to temperatura mięknienia

- za pomocą temperatury ugięcia pod obciążeniem. (pod obciążeniem HDT nagrzewanie 120K/h pomiar ∆ = 0.25mm

- za pomocą maksymalnej dopuszczalnej temperatury eksploatacji - jest to temperatura dla której producent gwarantuje zachowanie wszystkich własności użytkowych

10. Ogólny podział tworzyw sztucznych - klasyfikacja przetwórcza. Najpopularniejsi przedstawiciele poszczególnych grup.

Podziału tworzyw sztucznych dokonuje się ze względu na technologię ich przetwarzania.

1. Tworzywa termoplastyczne

2. Tworzywa termoutwardzalne

3. Tworzywa chemoutwardzalne

A - to tworzywa które pod wpływem temperatury stają się plastyczne (przechodzą do stanu lepkopłynnego) i w takim stanie dają się formować. Po schłodzeniu zachowują zadany kształt. Tworzywa termoplastyczne należą do najpopularniejszych tworzyw sztucznych. Główni przedstawiciele:

1. poliolefiny:

polietylen PE

polipropylen PP

2. polichlorek winylu PVC

3. polistyren PS

4. poliamidy PA

5. polimetakrylan metylu

6. tworzywa fluorowe: Politetrafluoroetylen (PTFE) (teflon, tarflen)

7. poliwęglany (PC) (Biston, Lexan)

B - to grupa tworzyw, które pod wpływem temperatury sieciują, przechodząc w stan szklisty. Przed utwardzeniem mają konsystencję gęstego oleju lub proszku. Stan utwardzenia jest stanem nieodwracalnym

Przedstawiciele:

1. tworzywa fenolowe:

- w postaci nieutwardzonej

żywice - stosowane jako klej (spoiwo) do łączenia w podwyższonej temperaturze

tłoczywo = żywica + napełniacz (np. włókno szklane, węglowe, mączka drzewna)

laminat - napełniacz - papier, tkanina bawełniana

2. tworzywa aminowe - łatwo jest je barwić na różne kolory, posiadają dobre własności klejące lecz gorsze właściwości mechaniczne i termiczne

3. silikony

C - materiały, które pod wpływem specjalnych inicjatorów sieciują, przechodząc ze stanu lepkiej cieczy w stan szklisty. Może to trwać od kilku minut do kilku godzin i jest stanem nieodwracalnym.

Przedstawiciele:

1. poliestry

2. żywice epoksydowe

Gumy

Szczególną grupą TS są gumy, charakteryzują się dużą zdolnością do odkształceń odwracalnych, będących sumą odkształceń sprężystych i lepkosprężystych, mają niewielką wytrzymałość na rozciąganie. Guma jest produktem sieciowania (wulkanizacji) kauczuku naturalnego lub syntetycznego, do sieciowania używa się najczęściej siarki. W skład gum wchodzą też plastyfikatory, pigmenty, antyutleniacze i wypełniacze (sadza - gumy czarne, ZnO - gumy białe).

11. Znane Ci grupy tworzyw termoplastycznych. Budowa, własności i zastosowanie polietylenu, polichlorku winylu, polistyrenu, poliamidów polimetakrylanu metylu, tworzyw fluorowych.

Tworzywa termoplastyczne stanowią ok.3/4 produkcji tworzyw sztucznych.

• poliolefiny Polietylen PE (CH₂)n surowiec do produkcji: ropa naftowa, gaz ziemny, etylen. Polietylen o małej gęstości (PEmg, PE-LD) polietylen wysokociśnieniowy o budowie rozgałęzionej. Temperatura płynięcia ok.115ºC, temp. Zeszklenia 0ºC. Polietylen o wysokiej gęstości(PEdg, PE-HD) polietylen niskociśnieniowy o budowie prawie liniowej. Temperatura płynięcia ok.137ºC, temp. Zeszklenia-20ºC. Obydwa polimery charakteryzują się wysokim stopniem krystalizacji(do96%). Około 40% produkcji PE to folie, a reszta zostaje przetworzona metoda wtryskowa na opakowania produktów spożywczych, folie, izolacje przewodów, rury. Polipropylen PP najlżejszy z polimerów gęstość 0,9g/cm3,lepsze własności mechaniczne niż polietylen. Maksymalna temp. Pracy to100-130ºC. Wykonuje się z niego sprzęt medyczny (można go sterylizować), strzykawki, zaworki, trójniki.

• polichlorek winylu PVC (C₂H₃Cl)n. budowa liniowa (znikoma ilość odgałęzień bocznych od łańcucha głównego). Głównego czystej postaci jest twardy i kruchy. PVC twardy 5-10 % zawartości plastyfikatory (winidur). Produkuje się z niego rury, dreny, ramy okienne, opakowania spożywcze; PVC miękki 10-60% zawartości plastyfikatory (igielit). Produkuje się z niego folie, węże ogrodowe, tapety. Wyroby z PVC SA mało odporne na wysokie temp. Powyżej 135ºC może nastąpić rozkład termiczny, plastyfikatory podnoszą temp. rozkładu, który wiąże się z wydzielaniem chloru.

• polistyren PS twardy przezroczysty materiał, łatwo dający się barwić. Nie domieszkowany jest twardy, mało plastyczny, należy do najlepszych dielektryków. Wytwarza się z niego opakowania na produkty spożywcze (oprócz tłuszczy i alkoholi), sprzęt elektroniczny. Dzięki modyfikacji 10-15 % kauczukiem syntetycznym-butadienem, otrzymujemy polistyren wysoko udarowy SB, modyfikacja polepsza udarność oraz zmniejsza kruchość. Jako tworzywa konstrukcyjne używa się kopolimerów kopolimerów butadienem i akrylonitrylem o częściowo usieciowanych molekułach. Zastosowanie telefony, korpusy telewizorów, opakowania kosmetyków. Jeżeli dodamy do polistyrenu środki spieniające(heptan pentan) to otrzymamy styropian.

• poliamidy PA charakteryzują się małym współczynnikiem tarcia, dużą odpornością chemiczna, proste w przetwarzaniu, możliwe jest stosowanie wielu technologii otrzymywania wyrobów: wtryskarki, polimeryzacja w formach, odlewanie od środkowe, natryskiwanie warstw i powłok. Zastosowanie 50 % to nici, tkaniny, liny, włókna pozostałe to elementy konstrukcyjne, koła zębate, śruby, nakrętki, łożyska (PA mają mały współczynnik tarcia dobrze wchłania smary). Stopień krystaliczności 30-50%, zapewnia korzystny stosunek wytrzymałości do plastyczności i udarności(na własności te ma wpływ ilość pochłoniętej wody). Całkowicie wysuszone tworzywo jest kruche i wrażliwe na uderzenia.

• polimetakrylan metylu PMMA (pleksi, szkło organiczne, metapleks) bardzo przezroczyste tworzywo. Umożliwia to budowanie układów optycznych o mniejszym ciężarze niż z wykorzystaniem szkła. Różne stopnie twardości uzyskuje się przez zastosowanie różnych rodzajów zmiękczaczy. Metapleks jest odporny na działanie kwasów nieorganicznych nie jest odporny na kwasy organiczne. Posiada bardzo dobre właściwości skrawalnicze umożliwiające jego szlifowanie oraz polerowanie. Szkło organiczne zastosowanie w lotnictwie, optyce, produkcji aparatury medycznej.

• tworzywa fluorowe np. PTFE - politetrafluoroetylen (teflon). Duża odporność na działanie odczynników chemicznych, wysokiej temp. Pracy, wysokiej udarności i elastyczności, nie palne i niski współczynnik tarcia. Wady to mała odporność na pełzanie(występuje już przy 20'C), wysokie koszty wytwarzania, kłopoty przy przetwarzaniu(temp. Przetwórstwa ok.370'C jest bliska temp. rozkładu). Są to tworzywa miękkie, stosunkowo ciężkie. Własności zależne od stopnia krystalizacji (dochodzi do 96%) zależy od szybkości chłodzenia od 327'C. Zastosowanie: do wytwarzania aparatury chemicznej, uszczelek, pierścieni ślizgowych, powłok na garnkach.

12. Polimery termoutwardzalne fenolowe i aminowe - ich najpopularniejsze zastosowania (rezoteksy B, S, rezokard), porównanie własności.

Pod wpływem temperatury sieciują przechodząc w stan szklisty. Przed utwardzeniem maja konsystencje gęstego oleju lub proszku, stan utwardzenia jest stanem nieodwracalnym:

A: postać nieutwardzona bez napełniacza-żywice, z napełniaczem-tłoczywa

B: Postać utwardzona to zwykłe półwyroby: pręty, rury, profile, płyty, laminaty.

• Tworzywa fenolowe - występują w postaci: żywic - stosowane są jako kleje do łączenia w wyższej temperaturze warstw papieru lub tkaniny; tłoczyw-jako napełniacze dla nich stosuje się mączkę drzewną, kaolin. Wyrabia się z nich drobne elementy elektrotechniczne.

• Tworzywa aminowe - łatwo się je barwi na różne kolory, posiadają dobre własności klejące. Stanowią najczęściej warstwę zew. dekoracyjną. Używa się ich do produkcji laminatów warstwowych.

• Rezokard - tani laminat, zakres temperatur do 120C, Rm ok100MPa, stosowany do obudów rozdzielni elektrycznych. Wada, brunatny trudno zmieniany kolor.

• Rezoteks B - tekstolit. Wykorzystując tkaninę bawełnianą jako osnowę otrzymujemy tekstolit. Laminat ten dobrze tłumi drgania. Wykonuje się z niego koła zębate (do 30 000 obr/min) max temp pracy 90-100 `C. Jest dobrym materiałem konstrukcyjnym o dużej udarności i wytrzymałości.

• Rezoteks A - zastosowanie tkaniny azbestowej jako napełniacz umożliwia podniesienie temp. pracy laminatu do ok. 250 `C. Niska przewodność cieplna powoduje, że rezoteks A jest doskonałym izolatorem

• Rezosteks S - jako napełniacz stosowane jest włókno szklane. Ma charakterystyczne trudne do zmienienia zabarwienie brązowe. Stosowany jako płytki z nadrukiem w elektronice.

13. Polimery chemoutwardzalne, własności, zastosowania poliestrów (polimale), żywic epoksydowych (epidiany).

Tworzywa termoutwardzalne dla swego przejścia w stan stały (drogą sieciowania) wymagały podgrzania do 140 -1800C. Tworzywa chemoutwardzalne (najczęściej dwuskładnikowe) do swego przejścia w stan stały wymagają oddzielnego inicjatora sieciowania. Po zmieszaniu dwu składników sieciowanie (w czasie od 1n minut do 1n godzin) może zachodzić przy temperaturze pokojowej -chociaż podgrzanie przyspiesza te procesy. Stąd często te dwie grupy łączy się w jedną.

• Poliestry (3% ŚP) stosowane do laminatów, odlewów, uszczelnień, lakierów i klei. Słaba odporność chemiczna, mała wytrzymałość, maks. temp 60ºC, mała plastyczność. Zalety-niska cena, lekkość, odp. na korozje, łatwość formowania. Zastosowanie-kadłuby, boje, szalupy, breloczki, galanteria.

• Żywice epoksydowe - bardzo drogie tworzywo, lecz własności powodują duże zapotrzebowanie. Polska nazwa „epidian1-6”.Sprzedawany w postaci dwuskładnikowej w stosunku 1:10. Posiadają dużą masę cząsteczkową. Zalety: lepsza odporność chemiczna od poliestrów, twardość i wytrzymałość przy zachowaniu plastyczności, temp. Pracy 80-180C, dobre własności klejne. Zastosowanie: szpachlówki, materiały spieniane, powłoki ochronne, pasty regeneracyjne

14. Specyfika struktury i własności mechanicznych ceramik -w porównaniu ze stopami metali.

Ceramika - materiały związków na osnowie związków o wiązaniach:

- jonowych (metal z niemetalem) MgO, Al₂O₃

- kowalencyjnych (niemetal z niemetalem) SiO₂

Wiązania te są silniejsze od metalicznych stąd wysokie E, H, T_mięknięcia

Struktura

-Ziarna fazy (faz) krystalicznych; faza amorficzna; pęknięcia o długości porównywalnej z wielkością ziaren krystalitów powstałe w trakcie chłodzenia -wskutek różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej. Pory powstałe po wyparowaniu rozpuszczalnika (wody).

Obecność pęknięć i por silnie osłabia ceramiki. Stąd ich niska udarność i plastyczność.

Rm ściskania < Rm zginania < Rm rozciągania.

Własności mechaniczne w porównaniu z metalami :

- Rozciąganie - Metale wykazują znaczne odkształcenia plastyczne natomiast ceramiki(przez wady w postaci pustek , porów, pęknięć ) , jak i również szkła ulegają zniszczeniu już w zakresie odkształceń sprężystych.

- Ściskanie - Metale jak i ceramiki mają podobną , wysoką odporność na ściskanie(nie występuje koncentracja naprężeń spowodowanych wadami , naprężenia sprężyste domykają istniejące wady)

- Udarność - Metale posiadają dużą udarność ( przez opory sieci , plastyczność na czole) , Pewna plastyczność na czole występuje również dla materiałów ceramicznych , jest ona jednak bardzo mała .

Ogólne własności ceramik

E=70 [GPa]

gęstość ~2.4 [g/cm³]

Rm ściskanie = ~350[MPa]

Rm zginanie = 45[MPa]

15. Szkło - jego struktura, ogólne własności, obróbka cieplna.

Szkła - tworzywa otrzymywane z substancji nieorganiczno-niemetalicznych o wysokiej trwałości cieplnej. Materiały najczęściej stosowane przez człowieka i charakteryzujące się największą odpornością na działanie środowiska. Szkła mogą być wytrzymałe jak metale, ale nie mają sobie równych jeśli chodzi o odporność korozyjną i odporność na ścieranie.

Struktura szkła - Szkło jest bezpostaciowym (amorficznym) ciałem stałym złożonym głównie z krzemianów, borków, aluminatów oraz związków metali: Ca, Mg, Ba, K, Na. Osnowę szklaną stanowi krzemionka SiO₂. Szkło uzyskane z czystej krzemionki posiada wysoką temperaturę topnienia 1724⁰C. Do szkła dodaje się borki i aluminaty w celu obniżenia temperatury topnienia do około 700- 800⁰C. W zależności od zastosowania dobiera się odpowiedni skład chemiczny szkła.

Własności szkła:

Gęstość - 2,2 -6,5 g/cm^3

Wytrzymałość na zgniatanie 50-120 MPa

Wytrzymałość na rozciąganie 30-90 MPa

Udarność 1,5-2,5 KJ/m

Twardość 5-7 (wg Mossa)

Ogólne własności - własności szkieł zmieniają się w bardzo szerokich granicach, jednak charakteryzuje je wrodzona kruchość. Szkła są materiałami bardzo twardymi, ale i mało plastycznymi Odporność na ścieranie rośnie wraz z twardością. Wytrzymałość na ściskanie szkieł jest ok. 15x większa niż wytrzymałość na rozciąganie. Charakteryzują się dużą kruchością, ich odporność na pękanie jest bardzo mała, do 50x mniejsza niż w przypadku metali. Większość szkieł pod wpływem naprężeń w środowiskach wilgotnych traci częściowo swe własności wytrzymałościowe.

Obróbka cieplna - szkła, podobnie jak metale, formuje się przez odkształcenie. Lepkość szkieł powoli i w sposób ciągły rośnie w czasie nagrzewania. Lepkie płynięcie jest procesem aktywowanym cieplnie. Aby to zjawisko wystąpiło, musi nastąpić miejscowe zerwanie wiązań i przebudowa sieci. typowe procesy obróbki:

a) prasowanie na gorąco - bryła gorącego szkła jest prasowana pomiędzy dwiema matrycami, proces wymaga szkła o dużej lepkości

b) walcowanie - stosowane przy produkcji płyt szklanych, szkło powinno mieć dużą lepkość

c) formowanie z warstwy szkła unoszącej się na powierzchni innej cieczy - stosowane przy produkcji gładkich optycznie szyb okiennych wymaga małej lepkości szkła.

d) formowanie przez wydmuchiwanie stosowane do produkcji butelek i żarówek z szybkością kilku tysięcy sztuk na godzinę- wymaga szkła o małej lepkości

e) hartowanie - powoduje powstanie na powierzchni naprężeń ściskających - szyby samochodowe - tripleksy

Wygrzewanie szkła w cieczach krzemoorganicznych - powoduje wypłukanie z warstw powierzchniowego szkła dodatków upodabniając jej skład do czystej krzemionki - powoduje to utwardzenie warstwy powierzchniowej.

16. Rodzaje materiałów szklanych, ich własności i zastosowania.

Szkło wspienione - do szkła dodaje się substancje, które przy temperaturze zeszklenia wydzielają duże ilości gazów. Typowymi wspieniaczami są koks, węgiel, kreda. Po ich dodaniu otrzymujemy materiał porowaty, o gęstości 0,2-0,8 g/cm^3. Zastosowanie: materiały izolacyjne cieplne i dźwiękowe, materiały do produkcji filtrów. (Temp. pracy - do 300 `C, wytrzymałość na ściskanie - 150-250 MPa; wytrzymałość na zginanie, rozciąganie - 50-100 MPa).

Włókna szklane - otrzymywane ze szkła wodnego włókna o grubości od 2-10 μm. Stosowane są jako materiał izolacyjny (termiczny i akustyczny). Produkuje się z nich również nici. Są stosowane wraz z polimerami w materiałach kompozytowych. (ρ=0,5-1 g/cm^3)

Szkła o specjalnych właściwościach elektrycznych - zwykłe szkło jest izolatorem. Odpowiednie dodatki zwiększają przewodność. Mogą także wywołać efekty półprzewodnikowe. Właściwość ta znalazła zastosowanie w elektrotechnice. Pozwala na produkcję elementów) czułych na zmianę temperatury - termistory, czułych na zmiany światła - fotoopory).

Szkło bezpieczne jest to rodzaj specjalnego szkła, które w wyniku hartowania po rozbiciu rozpada się na małe kawałki o zaokrąglonych, nie kaleczących krawędziach.
Jednym z rodzajów tego szkła jest szkło zbrojone. Jest ono walcowane z wtopioną siatką metalową, co zapobiega rozpryskiwaniu się szkła przy pęknięciu. Szkło to jest głównie stosowane w budownictwie i motoryzacji (szyby samochodowe)
Szkło wodne jest to syropowatej gęstości ciecz będąca wodnym roztworem krzemianu sodu lub potasu. Stosowane jest do ochrony przeciwogniowej tkanin, papy, drewna i do wyrobów kitów i farb ognioochronnych jak również włókna szklanego.

Szkło potasowe składa się głównie z K2O(tlenku potasu), CaO(tlenku wapnia) i SiO2(tlenku krzemu). Jest to szkło trudno topliwe, więc znalazło sobie zastosowanie w laboratoriach chemicznych. Jest ono niezastąpione, gdyż nawet na lekcjach chemii często ogrzewamy probówki do wysokich temperatur. Zwykłe szkło w tych warunkach odkształciłoby się i niemożliwe byłoby przeprowadzania doświadczeń laboratoryjnych.

Szkło sodowe ma natomiast niską temperaturę topnienia. Składa się głównie z tlenku: sodu, wapnia i krzemu. Ma bardzo duże zastosowanie w życiu codziennym. Z pewnością sami nie zdajemy sobie sprawy, jak często się z nim spotykamy. Szkło to służy do wyrobu sprzętów codziennego użytku takich jak: szklanki, naczynia i szyby okienne. Również stosujemy je do produkcji opakowań szklanych; butelek i słoików.
Szkło kwarcowe składa się głównie z tlenku krzemu. Jest trudno topliwe. Ma dużą odporność na zmiany temperatury. Cechuje je też dobra przepuszczalność promieni widzialnych. Szkło kwarcowe znalazło sobie zastosowanie w produkcji naczyń laboratoryjnych i elementów aparatury optycznej. Jednak głównie służy do produkcji lamp kwarcowych.

17. Betony, rola cementu, napełniaczy, wody, wpływ temperatury na dojrzewanie betonu.

Beton jest najpopularniejszym materiałem budowlanym, jego własnością jest duża odporność na ściskanie.

Składniki betonu:

- cement (portlandzki, glinowy, hutniczy, anhydrytowy, magnezjowy, inne)

- napełniacze (kruszywo, piasek, żwir, gruz, kamień, żużel, pumeks, dodatki spieniające, armatura stalowa)

- woda

- dodatki szkodliwe (węgiel, gips, glina, tłuszcze, związki organiczne, siarczki)

Cement - spoiwo (klej kamienny) twardniejący po rozrobieniu go wodą. Początkowo uzyskujemy żel o konsystencji gęstej śmietany, który stopniowo utwardza się i krystalizuje, przechodząc w ciało stałe.

Chociaż krzepnięcie obserwuje się już po kilku godzinach, to proces ten przebiega powoli przez okres kilku lat i wymaga doprowadzania wody.

W zależności od wytrzymałości rozróżnia się tzw. marki cementu: 250, 350, …, 600 - liczby te określają wytrzymałość na ściskanie (kg/cm^2) sześciennej próbki o krawędzi 200 mm, wykonanej z danego cementu po 28 dniach twardnienia. Wytrzymałość konstrukcji jest wypadkową wytrzymałości cementu i napełniacza.

Napełniacze - wraz z cementem współdecydują o wytrzymałości betonu. Ciężkie betony ρ=2,2 g/cm^3, o dużej wytrzymałości na ściskanie zawierają kruszywo granitowe o średnicy 5-70 mm, żwir. Frakcje powinny być tak dopasowane, by jak najlepiej wypełnić objętość, bowiem przy zastosowaniu jednakowej frakcji występuje ~45% porowatość. Duża porowatość niepotrzebnie zwiększa zużycie cementu na zapełnienie luk. Dodatkowo przy niskiej marce cementu może to doprowadzić do obniżenia wytrzymałości betonu. W lżejszych betonach (o mniejszej wytrzymałości), jako napełniaczy można używać żużel, gruz, pumeks, azbest. W konstrukcjach narażonych na zginanie stosuje się dodatkowo zbrojenie stalowe betonu. Przy zastosowaniu środków spieniających uzyskuje się tzw. pianobeton.

Woda - musi występować w optymalnej ilości, bowiem za dużo wody powoduje powstawanie pustek wewnętrznych (powstałych po wyparowaniu wody), zaś za mało wody powoduje iż gęsta masa betonowa źle wypełnia formę, ponadto po skrzepnięciu powstają pęknięcia. Każdy beton musi być zwilżany przez 11 dni.

Dodatki szkodliwe - dostają się do betonu wraz z wodą i napełniaczami. Powodują wycieki betonu, które zmniejszają jego wytrzymałość.

Podwyższenie temperatury przyspiesza reakcje chemiczne i twardnienie betonu. Np. przy temp. 170-180 `C, po czasie 12-16h w betonie zachodzą takie zmiany jak po roku w temp. 20 `C. Przy zwiększaniu temp. Należy zwiększyć ciśnienie, aby ograniczyć parowanie wody, a w konsekwencji pękanie betonu. Przy temp. 80-90 `C, w 12-16h uzyskuje się wytrzymałość równą 70% wytrzymałości 28-dniowej. Przyspieszanie dojrzewania betonu ma zastosowanie w tzw. „fabrykach domów”. Niskie temp. spowalniają proces dojrzewania betonu. Np. temp 5 `C spowalnia proces o około 2-5 razy. Ujemne temp. powodują zamarzanie wody i w konsekwencji pękanie betonu.

18. Ceramika inżynierska. Węglowa, korundowa, węglik krzemu.

Ceramika inżynierska - składnikami nowoczesnych materiałów ceramicznych są węgliki, azotki, borki, tlenki. Ceramiczne materiały konstrukcyjne są stosowane na części, które winny charakteryzować się dobrą odpornością na ścieranie i dobrymi własnościami mechanicznymi oraz odpornością na korozję w wysokich temperaturach. Z tych materiałów wytwarza się części silników spalinowych oraz turbinowych. Duża grupa nowoczesnych materiałów ceramicznych znajduje niekonwencjonalne zastosowanie za względu na ich funkcjonalność, gdzie wykorzystuje się wyżej wymienione własności oraz własności elektryczne, magnetyczne, optyczne, zdolność do pełnienia roli sensorów wykrywających gazy trujące i do zastępowania zużytych części organizmu ludzkiego.

Ceramika węglowa:

Diament - odmiana alotropowa węgla - najtwardszy spotykany minerał; zastosowanie: duże kryształy (brylanty) w jubilerstwie; precyzyjne narzędzia do cięcia szkła; proszek diamentowy - pasty polerskie i ścierne

Grafit - odmiana alotropowa węgla - zastosowanie: elektrody węglowe, włókna

Sadza - mikrokrystaliczny grafit - zastosowanie: pigment

Fulereny - związki węgla (od C60 do C560) o kształcie zamkniętej sfery; zastosowanie: medycyna, półprzewodniki, nadprzewodniki

Ceramika korundowa

Al₂O₃ - (tzw. korund) jest stosowany na elementy, które powinny się charakteryzować dużą wytrzymałością mechaniczną w wysokich temperaturach. Klasyczne zastosowanie to izolatory w świecach zapłonowych silników spalinowych. Jest również stosowany na podłoża izolacyjne obwodów scalonych oraz w dentystyce i medycynie do odnowy zębów, wypełniania ubytków kości, oraz do wykonywania implantów. Stosowany również w produkcji uzbrojenia.

SiC - (tzw. karbokorund) charakteryzuje się b. dużą odpornością na utleniania do 1500ºC. Większość węglików łatwo się utlenia, dlatego ich stosowanie wysokich temperaturach jest możliwe jedynie w atmosferach redukcyjnych, Węglik krzemu jest wyjątkiem. W atmosferze utleniającej, w wysokich temperaturach, na powierzchni elementu z SiC tworzy się cienka warstwa SiO₂ chroniąca element przed utlenianiem, aż do temp. 1500ºC. SiC jest powszechnie stosowanym materiałem przemysłowym. Jest on stosowany do produkcji elementów grzewnych piecy, jako materiał ścierny oraz do wytwarzania pokryć na metalach i ceramikach w celu ochrony przed utlenianiem w wysokich temperaturach. W postaci włókien lub cząstek równoosiowych jest stosowany do wzmocnienia kompozytów. Jest dobrym izolatorem elektryczności i jednocześnie dobrze przewodzi ciepło. Jego twardość zawiera się między korundem a diamentem. Kruchy, nie reaguje z kwasami, wrażliwy na działanie zasad.

---