ZIP 30 Bytom Chorzów 27.02.08

WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ I METALURGII

KATEDRA NAUKI O MATERIAŁACH

LABORATORIUM: MATERIAŁOZNAWSTWO

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 2

WYZNACZANIE TWARDOŚCI I ODPORNOŚCI NA PĘKANIE MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH

Dawid Stępień

Michał Kowolik

1. CO TO JEST TWARDOŚĆ?

Twardość, własność ciał stałych polegająca na stawianiu oporu odkształceniom plastycznym przy lokalnym oddziaływaniu nacisku na ich powierzchni, wywieranego przez inne, twardsze ciało. Twardość jest cechą umowną, umożliwiającą porównywanie odporności na uszkodzenia powierzchni różnych materiałów. Powszechnie stosuje się kilka metod badania twardości (głównie metali).

W metodach Brinella, Rockwella, Vickersa mierzy się odpowiednie wymiary odcisków w badanym materiale, powstałe w wyniku wgniecenia wgłębnika (kulki stalowej lub z węglików spiekanych w metodzie Brinella, stożka diamentowego lub hartowanej kulki w metodzie Rockwella, diamentu w kształcie piramidy w metodzie Vickersa).

Przy znanej sile obciążenia oraz wielkości odcisku powierzchni oblicza się twardość (w metodzie Rockwella pomiar głębokości odcisku wykonuje się specjalnym czujnikiem wykazującym od razu twardość).

Ponadto twardość można mierzyć metodą statyczną (opisane wyżej) i dynamiczną. W metodzie dynamicznej mierzy się wysokość odbicia stalowej kulki od powierzchni badanego materiału (metoda Shora). W pomiarach twardości minerałów stosuje się skalę twardości Mohsa.

Dzięki doświadczalnie stwierdzonym zależnościom pomiędzy twardością a innymi własnościami materiałów (np. wytrzymałością na rozciąganie) oraz na podstawie ustaleń, że próby twardości jedynie w minimalnym stopniu uszkadzają badany materiał, mogą one w wielu przypadkach zastąpić próby znacznie trudniejsze do przeprowadzenia, np. rozciąganie.

2. Z CZEGO WYNIKAJĄ ODMIENNE WŁAŚCIWOŚCI RÓŻNYCH ODMIAN ALOTROPOWYCH WĘGLA I JAKIE SĄ PRAKTYCZNE KONSEKWENCJE TYCH WŁAŚCIWOŚCI.

1. Występowanie węglowców:

Węgiel jest pierwiastkiem dobrze rozpowszechnionym w przyrodzie. W przyrodzie występuje zarówno w stanie wolnym, w postaci dwóch minerałów: grafitu i diamentu, oraz w formie związanej: jako składnik węgli kopalnych, które są mieszaniną tego pierwiastka i jego związków, oraz jako węglany lub dwutlenek węgla. Do węgli kopalnych zaliczamy: węgiel kamienny (zawiera do 90% pierwiastkowego węgla), węgiel brunatny (w skład którego wchodzi węgla), antracyt (który ma nawet do 96% węgla) oraz zawierający najmniejszą ilość węgla pierwiastka torf (do 60%). Poza tym węgiel jest składnikiem ogromnej liczby związków organicznych i stanowi podstawę życia na Ziemi. Najbardziej rozpowszechnionym minerałem nieorganicznym węgla jest węglan wapnia o wzorze CaCO₃. Krzem jest drugim pierwiastkiem po tlenie jeśli chodzi o rozpowszechnienie. Występuje on w przyrodzie jedynie w postaci związków chemicznych, przede wszystkim jako krzemionka SiO₂, krzemiany i glinokrzemiany. German spotykany jest w bardzo małych ilościach i do tego występuje jedynie w postaci związków i dlatego odkryto go bardzo późno. Głównym źródłem cyny jest kasyteryt o wzorze SnO₂ i nie występuje ona w stanie wolnym. Ołów w stanie wolnym występuje w bardzo małych ilościach i jest on otrzymywany przede wszystkim z galeny PbS.

2. Właściwości fizyczne:

Wszystkie pierwiastki należące do grupy węglowców są ciałami stałymi. Podobnie jak w przypadku azotowców im większa liczba atomowa, właściwości węglowców ulegają zmianie z niemetalicznych na metaliczne. Zatem węgiel należy do niemetali, german i krzem to półmetale, natomiast ołów i cyna zaliczane są do metali.

Węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych, które posiadają odmienne właściwości fizyczne, chemiczne i różnią się budową krystaliczną. Węgiel niezależnie od odmiany w jakiej występuje nie rozpuszcza się w kwasach, zasadach oraz wodzie. Jest rozpuszczalny jedynie w niektórych stopionych metalach, np. ciekłym żelazie. Odmianami alotropowymi węgla są grafit, diament oraz fullereny. Sadza, która dawniej niesłusznie była uważana za odmianę alotropową węgla to drobnokrystaliczny grafit.

Diament posiada trójwymiarową strukturę, w której każdy z atomów węgla jest połączony z czterema sąsiednimi atomami za pomocą wiązań kowalencyjnych. Na skutek ogrzewania diamentu bez dostępu powietrza w temperaturze przewyższającej 1500°C przechodzi on w grafit. Odwrotna przemiana jest o wiele trudniejsza i zachodzi dopiero w 4000°C i pod ciśnieniem 20Gpa (co stanowi 20 000). Diament jest najtwardszym ze znanych minerałów. Czyste diamenty są bezbarwne. Jeśli zawierają zanieczyszczenia mogą przybierać zabarwienie żółte, zielone, fioletowe, brunatne, a nawet czarne. diamenty są wykorzystywane w wiertnictwie, do cięcia i obróbki szkła, skał i ceramiki, a także w jubilerstwie( oszlifowane diamenty zwane brylantami to najcenniejsze kamienie szlachetne).

Grafit to druga odmiana alotropowa węgla. Jest to czarno-szare, łupliwe, miękkie ciało stałe, które dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Jest on tłustawy w dotyku i odporny na działanie wysokich temperatur. W krysztale grafitu atomy węgla są ułożone w warstwy, w obrębie których atomy są połączone za pomocą wiązań kowalencyjnych. Pomiędzy warstwami działają jedynie słabe siły, podobne do tych, które występują w kryształach molekularnych. Grafit wykorzystywany jest do wyrobu retort, elektrod, ołówków, jako suchy smar, w reaktorach jądrowych.

Fullereny to kolejna odmiana alotropowa węgla, która została otrzymana z grafitu poprzez odparowanie w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni. Zbudowane są one z bardzo dużej ilości atomów węgla (największa zaobserwowana cząsteczka ma 960 atomów węgla w cząsteczce). Najczęściej spotykane są fullereny, które posiadają 70 i 60 atomów węgla. Fullereny nie występują w przyrodzie. Przypuszcza się, że mogą być składnikami pyłów kosmicznych.

Sadza jest produktem niecałkowitego spalenia substancji organicznych. Jej charakterystyczną cechą jest bardzo duże rozdrobnienie, które powoduje, że ma ona dużą powierzchnię w stosunku do masy danej próbki. Powierzchnia ziaren zawartych próbce sadzy o masie jednego grama, wynosi około dwóch hektarów. Sadza ma silne właściwości adsorpcyjne.

3. Zastosowanie węglowców:

Koks jest stosowany na bardzo dużą skalę w hutnictwie oraz do odtleniania ud metali. Pewna ilość węgla jest przerabiana na tlenek węgla CO, który jest podstawowym substratem w wielu syntezach. Węgiel jest również wykorzystywany do ogrzewania. Sadzę stosuje się do produkcji tuszu, farb drukarskich i pasty do butów. Jest ona także materiałem adsorpcyjnym. Grafit ze względu na swoje duże przewodnictwo elektryczne znalazł zastosowanie w przemyśle elektrochemicznym (do produkcji elektrod) oraz przemyśle elektrotechnicznym. Wyrabia się z niego także tygle chemiczne i ołówki. Diament wykorzystywany jest do produkcji świdrów stosowanych w górnictwie, jako materiał ścierny, w wiertnictwie i do szlifowania.

German i krzem używane są do wyrobu półprzewodników. Krzem stanowi także składnik wielu stopów, a także służy do odtleniania niektórych gatunków stali.

Ołów służy do produkcji rurociągów do kwasu siarkowego(IV), kwasu siarkowego(VI) i kwasu fosforowego(V). Stosowany jest także do wykładani wież i komór , które wykorzystywane są do produkcji wapna bielącego, celulozy i kwasu siarkowego. Ekrany wykonane z ołowiu chronią przed działaniem promieniowania rentgenowskiego o promieniowania gamma w laboratoriach naukowych i placówkach leczniczych. Z ołowiu wyrabia się także szkło ołowiowe, płyty akumulatorowe, rdzenie pocisków karabinowych i stop używany w drukarstwie. Ołów jest także surowcem do otrzymywania różnych związków chemicznych w skład których wchodzi.

4. Wnioski

Odmienne właściwości różnych odmian alotropowych węgla , wynikają z różnicy w budowie struktury. Dla przykładu, diament posiada trójwymiarową strukturę, w której każdy z atomów węgla jest połączony z czterema sąsiednimi atomami za pomocą wiązań kowalencyjnych , a W krysztale grafitu atomy węgla są ułożone w warstwy, w obrębie których atomy są połączone za pomocą wiązań kowalencyjnych.

3. CO TO JEST MODUŁ YOUNGA - METODY WYZNACZANIA MODUŁU YOUNGA

Moduł Younga (E) inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej (w układzie odniesienia SI). Wielkość uzależniająca odkształcenie liniowe ε materiału od naprężenia σ jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.

Jednostką modułu Younga jest paskal. Jest to wielkość określająca sprężystość materiału.

Moduł Younga jest hipotetycznym naprężeniem, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie (założenie to spełnione jest dla hipotetycznego materiału o współczynniku Poissona υ=0).

W przypadku materiału izotropowego znane są zależności modułu Younga z innymi stałymi materiałowymi:

gdzie: G - moduł Kirchhoffa, υ - współczynnik Poissona, B - moduł Helmholtza, λ i μ - stałe Lamégo

Prawo Hooke'a - prawo mechaniki określające zależność odkształcenia od naprężenia. Głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej nań siły jest wprost proporcjonalne do tej siły.

Ta prawidłowość, sformułowana przez Roberta Hooke'a (1635-1703) w formie "ut tensio sic vis", pozostaje prawdziwa tylko dla niezbyt wielkich odkształceń, nie przekraczających tzw. granicy Hooke'a (zwanej też granicą proporcjonalności), i tylko dla niektórych materiałów. Odkształcenie tego rodzaju znika, gdy przyłożona siła przestaje działać. Współczynnik między siłą a odkształceniem jest często nazywany współczynnikiem (modułem) sprężystości.

1. Osiowy stan naprężenia i odkształcenia

Najprostszym przykładem zastosowania prawa Hooke'a jest rozciąganie statyczne pręta. Względne wydłużenie takiego pręta jest wprost proporcjonalne do siły przyłożonej do pręta, do jego długości i odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego pręta. Współczynnikiem proporcjonalności jest moduł Younga E

,

więc:

gdzie: F - siła rozciągająca, S - pole przekroju, Δl - wydłużenie pręta, l - długość początkowa.

W przypadku pręta bądź drutu o stałej średnicy można to wyrazić prościej: wydłużenie względne jest proporcjonalne do działającej siły.

Stosując definicje odkształcenia i naprężenia można powiedzie, że względne wydłużenie jest proporcjonalne do naprężenia, co można zapisać:

tutaj:
- odkształcenie względne,
- naprężenie.

2. Trójwymiarowy stan naprężenia i odkształcenia

Prawo Hooke'a dla ogólnego, trójwymiarowego układu naprężeń w przypadku materiału izotropowego może być zapisane w postaci układu równań:

dla odkształceń liniowych

dla odkształceń kątowych własnych

Gdzie:

ε - odkształcenie liniowe w punkcie

σ - naprężenie liniowe w punkcie

γ - odkształcenie postaciowe (kątowe) w punkcie

τ - naprężenie kątowe w punkcie

G - współczynnik sprężystości postaciowej (poprzecznej) lub moduł Kirchhoffa

4. CZY BETON JEST BARDZIEJ ODPORNY NA ŚCISKANIE CZY NA ROZCIĄGANIE I JAKIE SĄ PRAKTYCZNE KONSEKWENCJE TEGO

Beton - sztuczny zlepieniec kamienny, powstały przez związanie kruszyw skalnych za pomocą spoiw lub lepiszcz. Zamiast kruszyw skalnych stosowane są też kruszywa sztuczne nieorganiczne lub organiczne. Kruszywa drobnoziarniste używane do betonów są nazywane często wypełniaczami.

Klasyfikacja betonów ze względu na gęstość objętościową:

• betony ciężkie
• beton zwykły
• betony lekkie

Klasyfikacja ze wg na składniki:
• betony cementowe,
• betony żywiczne,
• betony asfaltowe,
• betony żwirowe,
• betony tłuczniowo-keramzytowe,
• betony łupkoporytowe,
• betony strużkowe, itd.

Klasyfikacja ze względu na sposób transportowania lub nanoszenia:
• beton towarowy,
• beton natryskowy.

Ważną cechą betonu jest jego wytrzymałość na ściskanie. Gwarantowaną wartość wytrzymałości określa klasa betonu.

Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu - tak jak w przypadku betonów zwykłych, betony osłonowe wykazują podobne tendencje wytrzymałościowe przy rozciąganiu jak betony zwykłe. Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu stanowi ok. 10 % wytrzymałości na ściskanie.

Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu betonów osłonowych - w przypadku betonów osłonowych dąży się do uzyskania niskiego modułu sprężystości. Badania nad betonami osłonowymi wykazały wartości modułu sprężystości w zakresie 14000 do 45000 MPa.

Współczesna technologia betonu wspomagana jest bardzo często przez produkty chemii budowlanej.

Praktyczną konsekwencją tych właściwości jest, wykorzystanie betonu, jako budulca. Konstrukcje nośne budynków, funtamenty, podpory, oraz wszelkie konstrukcje narażone na potężny nacisk, budowane są z betonu w połączeniu ze stalą, jako żelbet.

5. LITERATURA

1. http://pl.wikipedia.org/wiki/W%C4%99giel_%28pierwiastek%29

2. http://portalwiedzy.onet.pl/82291,1,,,odmiany_alotropowe_wegla,haslo.html

3. http://www.sciaga.pl/tekst/19518-20-ciala_stale

4. Władysław Siuta - Mechanika Techniczna. WSiP Warszawa 1985r.

5. Przybyłowicz Karol - Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach. WNT Warszawa 2000r.

1

---