Elaborat z Materiałów Konstrukcyjnych i Eksploatacyjnych

Temat: „Materiały techniczne naturalne i inżynierskie - porównanie ich struktury”.

Opracowali:

Damian Kozieł

Przemysław Okorski

Michał Danel

Robert Jurowicz

1.Wstęp

Materiały techniczne to ciała stałe pozwalające na wytworzenie z nich różnych produktów

(np. części maszyn, narzędzi lub przedmiotów codziennego użytku). Najbardziej ogólny podział materiałów technicznych przedstawia poniższy rysunek:

Podstawą tego typu podziału jest istota wiązania miedzy atomami tworzącymi dany materiał.

Wiązania te utrzymują atomy w przestrzennych układach, nadając im określone własności.

Wiązania te możemy sklasyfikować w czterech grupach:

• wiązania kowalencyjne;

• wiązania jonowe;

• wiązania metaliczne;

• wiązania Van der Waalsa.

Wszystkie materiały techniczne różnią się przede wszystkim strukturą budowy, które przede wszystkim wpływają na właściwości materiału.

2. Analiza i porównanie struktur poszczególnych materiałów

a) materiały naturalne

● drewno - jest najstarszym i najpowszechniej stosowanym materiałem konstrukcyjnym.

Drewno jest materiałem komórkowym (piankopodobnym) o gęstości względnej 0,07-0,5 [Mg*m-3], o ściankach komórek wzmocnionych włóknami. Właściwości drewna są anizotropowe, częściowo z powodu kształtów komórek, a częściowo ponieważ włókna ścian komórek są zorientowane prawie dokładnie w kierunku osiowym.

Sciany komórki drewna składają się głównie z celulozy, ligniny, hemicelulozy, wody i różnych ekstraktów.

● skały- dokładne określenie struktury skały pozwala często na ustalenie, jaką skałę określamy: magmową (głębinową, wylewną czy żyłową), osadową czy metamorficzną. Każdy rodzaj skał posiada inną strukturę ze względu na pochodzenie. Skały różnią się składem chemicznym, rozmiarem ziaren i strukturą kryształów. Te cechy są wynikiem różnorodnych warunków w jakich powstawały.

Skały magmowe mają strukturę holo krystaliczną (są w pełni wykrystalizowane) - dotyczy to np: granitu. Inne skały posiadają strukturę szklistą, wynikającą z gwałtownego zastygania i nie ukształtowania się struktury regularnej. Struktura hipo krystaliczna cechuje się częściowym wykształceniem kryształów - pojawia się u skał wulkanicznych.

Skały osadowe posiadają taką strukturę, jaką posiadały materiały z których zostały utworzone. Mogą to być materiały krystaliczne nieorganiczne, organiczne, bądź ich mieszanina.

Skały metamorficzne mogą posiadać właściwości skał z których zostały utworzone, jak też w wyniku procesów zachodzących w nich mogą zmienić zarówno makro jak i mikrostrukturę.

b) materiały inżynierskie

● metale

Struktura metali jest określona przez dwa czynniki. Pierwszym z nich jest stan stopu:

a)skład chemiczny metalu - składniki (pierwiastki), które zawiera i ich względny udział wagowy;

b) liczba faz i ich względny udział wagowy;

c) skład chemiczny każdej z faz

Drugim czynnikiem jest informacja geometryczna odnosząca się do kształtu i wielkości:

a) kształt ziaren (cząstek) każdej z faz

b) wielkość i rozmieszczenie cząstek

Mając te informacje, jesteśmy w stanie przeanalizować właściwości mechaniczne stopów i wyjaśnić obserwowane duże różnice wytrzymałości, odporności na pękanie (wiązkość) lub odporność na korozje. W jaki sposób uzyskać te informacje? Stan stopu można określić na podstawie układów równowagi fazowej. Kształt i wielkość ziaren (cząstek) jest trudniej przewidzieć ponieważ zależą one od historii technologicznej metalu, czyli zmian jakie zachodzą w strukturze metali w czasie odlewania, odkształcania lub obróbki cieplnej gotowych elementów. Znajomość tych procesów umożliwia w znacznym stopniu przewidzieć kształt i wielkość elementów struktury.

Metale pod względem struktury dzielą się krystaliczne i amorficzne. Naturalnie w większości metali występuje struktura krystaliczna regularna ściennie centrowana(RSC), regularna przestronnie centrowana (RPC) lub heksagonalne zwarta (HZ)

● tworzywa sztuczne (materiały węglowe jak i polimery)

Materiałami węglowymi nazywa się materiały, których wyłącznym lub dominującym składnikiem jest węgiel pierwiastkowy, struktura mieści się pomiędzy granicznymi przypadkami budowy amorficznej i struktury grafitu, postać zaś obejmuje polikrystaliczne materiały, jaki i włókna oraz cienkie warstwy na podłożach. Tradycyjne materiały węglowe tzn. wyroby z węgla uszlachetnionego, stosowane szeroko m.in. jako elektrody, czy materiały w medycynie.

Odmiany alotropowe węgla:

- Grafit jest forma krystaliczną węgla, trwałą przy niskich i niezbyt wysokich ciśnieniach szerokim zakresie temperatur od bardzo niskich do bardzo wysokich. Strukturę grafitu można opisać jako strukturę warstwową, w której atomy węgla tworzą płaskie warstwy złożone z sześciokątów foremnych, w narożach, których umiejscowione są atomy węgla. Element ten jest wspólny dla struktury wszystkich materiałów węglowych i nazywa się heksagonalną warstwą węglową.

Fullereny - Cząsteczki tworzące kryształ są ogromnymi i pustymi wewnątrz, symetrycznymi wielościanami składającymi się z kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla. Nie rozpuszczają się w wodzie.  Wewnątrz cząsteczki fullerenu można umieścić atomy metali (tzw. metalofullereny). Przewiduje się, iż fullereny i ich metaliczne związki znajdą zastosowanie jako przewodniki, półprzewodniki, nadprzewodniki (nadprzewodnictwo), smary, włókna sztuczne, farmaceutyki -np. w leczeniu choroby Alzheimera.

●ceramika i szkło- Struktura materiałów ceramicznych jest bardziej złożona niż struktura metali. Do grupy materiałów ceramicznych są również zaliczane szkła i ceramika szklana. Między atomami w tych materiałach występują wiązania od czysto jonowych do całkowicie kowalencyjnych, a w wielu przypadkach występuje kombinacja tych dwóch rodzajów wiązań. Struktura tych materiałów jest krystaliczna bądź amorficzna (nieuporządkowana).

- Diament - Każdy atom węgla połączony jest wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi atomami znajdującymi się w narożach diamentu, tworząc w przestrzeni siatkę z czworościanów foremnych. Wszystkie odległości między atomami węgla są jednakowe. Diament tworzy bezbarwne, przezroczyste kryształy o ekstremalnie dużej twardości.

●ceramika i szkło- Struktura materiałów ceramicznych jest bardziej złożona niż struktura metali. Do grupy materiałów ceramicznych są również zaliczane szkła i ceramika szklana. Między atomami w tych materiałach występują wiązania od czysto jonowych do całkowicie kowalencyjnych, a w wielu przypadkach występuje kombinacja tych dwóch rodzajów wiązań. Struktura tych materiałów jest krystaliczna bądź amorficzna (nieuporządkowana).

Komórka elementarna Al₂O₃ Rozmieszczenie jonów w szkle

sodowo-krzemianowym

Polimery - 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.

Materiał kompozytowy - połączenie dwóch lub więcej materiałów, o różnej strukturze. Składają się z materiału głównego oraz jego osnowy (lepiszcza). Są to zarówno włókna jak i cząsteczki faz materiału zatopione w osnowie. Ich struktura zależy od użytych materiałów.

Wnioski

Na właściwości materiału wpływa jego struktura, determinowana składem chemicznym oraz wiązaniami pomiędzy atomami. Struktura zależy od kształtu kryształów i ziaren, które można formować w zależności od procesów przetwarzania, jakim poddano materiał.

Literatura:

1.) Leszek Dobrzański „Wprowadzenie do nauki o materiałach” ISBN 978-83-7335-436-4

2.) Michael F. Ashby „Materiały inżynierskie 2: Kształtowanie struktury i właściwości, dobór materiałów” ISBN 83-204-2347-3

3.) A. Ciszewski, T. Radomski, A Szummer „Materiałoznawstwo” ISBN 83-7207-419-4

---