1. Podział polimerów ze względu na budowę i kształty mikrocząsteczek
2. Podział materiałów inżynierskich i ich zastosowanie w inżynierii środowiska
Do podstawowych grup materiałów inżynierskich są zaliczane:
- metale i ich stopy,
- polimery,
- materiały ceramiczne,
- kompozyty.
3. Odmiany alotropowe żelaza
Żelazo nie występuje w przyrodzie w postaci rodzimej.
Żelazo wykazuje dwie odmiany alotropowe. W temperaturze niższej 912°C oraz w zakresie temperatury od 1394 do 1538°C występuje odmiana alotropowa oznaczana α, a w zakresie wysokotemperaturowym oznaczana niekiedy również α(δ) lub δ. Odmiana α krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego A2. Roztwory stałe w żelazie a są nazywane ferrytem. W temperaturze niższej od temperatury 770°C, zwanej temperaturą Curie, żelazo a jest ferromagnetyczne a w temperaturze wyższej - paramagnetyczne.
W zakresie temperatury od 912°C do 1394°C stabilna jest odmiana żelaza γ o sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1. Roztwory stałe w żelazie γ są nazywane austenitem. Parametr sieci α każdej odmiany alotropowej żelaza zwiększa się wraz z podwyższeniem temperatury (rys. 8.5) i dla odmiany Feα wynosi 0,286 nm w temperaturze pokojowej i 0,293 nm w 1394°C, a dla odmiany γ - 0,365 nm w 912°C.
4. Sprężystość materiałów
Wszystkie materiały charakteryzuje granica sprężystości, po przekroczeniu zaczyna się coś w nich dziać. Całkowicie kruche materiały pękają albo gwałtownie szkło), albo stopniowo (jak beton lub beton zbrojony). Większość materiałów technicznych czyni to nieco odmiennie; odkształcają się one plastycznie lub zmieniają swoje trwale. Jest bardzo ważne wiedzieć, kiedy i jak się one odkształcają.
Sprężystość liniowa
Na rysunku 4.1 przedstawiono krzywą naprężenie-odkształcenie dla materiału odznaczającego się idealną liniową sprężystością. Właściwość tę opisuje prawo Hooke'a .
Wszystkie materiały charakteryzują się liniową sprężystością dla małych odkształceń - najczęściej przyjmuje się je jako mniejsze niż 0,001 (0,1%). Nachylenie linii naprężenieodkształcenie, które jest takie samo w przypadku ściskania, jak i rozciągania,
wyznacza moduł Younga E. Powierzchnia (zakreskowana) oznacza zmagazynowaną energię odkształcenia sprężystego, przypadającą na jednostkę objętości: ponieważ jest to materiał sprężysty, możemy ją wyzwolić odciążając materiał, który zachowa się jak sprężyna płaska.
Sprężystość nieliniowa
Na rysunku 8.2 przedstawiono materiał o sprężystości nieliniowej. Taką krzywą naprężenie-odkształcenie charakteryzuje się guma, mająca możliwość rozciągania się do
bardzo dużych odkształceń (ok. 5). Materiał jest ciągle sprężysty: jeśli odciążymy go, powróci do stanu początkowego tą samą drogą co podczas obciążania i cała energia przypadająca na jednostkę objętości, zmagazynowana podczas obciążania, będzie odzyskana podczas odciążania - dlatego katapulty są tak groźne.
5. Zastosowanie materiałów inżynierskich na przełomie lat
Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały potrzebne
do zdobycia pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego
poziomu życia. Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do przekonania, że o j
ej rozwoju decyduje w dużej mierze rozwój materiałów i towarzyszący temu rozwój sił wytwórczych.
Świadczy o tym niewątpliwie między innymi nazwanie różnych okresów w dziejach i
ludzkości od materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, np. epoki: kamienia,
brązu, żelaza (rys. 2.28).
6. Stopy aluminium
Najogólniej - ze względu na sposób wytwarzania - stopy aluminium dzieli się na:
- do obróbki plastycznej,
- odlewnicze.
Niektóre z tych stopów mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze jak i przeznaczone
do obróbki plastycznej.
Stopy do obróbki plastycznej zawierają zwykle do ok. 5% pierwiastków stopowych,
najczęściej Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li. Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzaniu wydzieleniowym. Odkształceniu plastycznemu, przy zachowaniu specjalnych warunków, można także poddawać stopy aluminium o stężeniu dodatków stopowych większym niż 5%.
Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym
stężeniu - od 5 do 25% - pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg, Zn i Ni lub ich
różnych zestawień. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem odlewniczym.
W stanie lanym można także stosować stopy zawierające mniej niż 5% pierwiastków stopowych.
Stopy aluminium z krzemem
Aluminium tworzy z krzemem układ z eutektyką, występującą przy stężeniu 12,6% Si, i dwoma roztworami stałymi granicznymi o rozpuszczalności składników zmniejszającej się wraz z obniżeniem temperatury. Roztwór a (Si w Al) wykazuje sieć regularną typu Al. Aluminium w temperaturze eutektycznej rozpuszcza się w Si w bardzo niewielkim stężeniu - ok. 0,07%, a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie rozpuszczalności w Si.
Stopy aluminium z magnezem
Aluminium tworzy z Mg roztwór stały graniczny a o rozpuszczalności zmniejszającej się wraz z obniżaniem temperatury, krystalizujący w sieci ściennie centrowanej typu Al układu regularnego. W zakresie stężenia do ok. 35,5% Mg występuje mieszanina eutektyczna roztworu a z roztworem stałym wtórnym (3 na osnowie fazy elektronowej AlgMg5, krystalizującej w sieci regularnej złożonej. W stopach przemysłowych Al z Mg stężenie Mg jest zawarte w przedziale od 0,5 do ok. 13%. Stopy o małym stężeniu Mg wykazują dużą podatność na obróbkę plastyczną, a o dużym stężeniu - bardzo dobre własności odlewnicze.
Stopy aluminium z miedzią
W układzie podwójnym Al-Cu występują dwa roztwory stałe graniczne oraz 9 roztworów
wtórnych na osnowie faz międzymetalicznych. Niektóre z tych faz i roztworów wtórnych
utworzonych na ich osnowie krystalizują bezpośrednio z cieczy w wyniku reakcji eutektycznej lub perytektycznej, niektóre zaś powstają w stanie stałym. Eutektyka występuje przy stężeniu 33% Cu i jest złożona z roztworu
Wieloskładnikowe stopy aluminium z cynkiem
Czteroskładnikowe stopy Al z Zn, zawierające Mg i Cu (tabl. 10.17 wg PN-EN 573-3:2004 (U) i PN-EN 573-3/Ak:1998), dotychczas nazywane duralami cynkowymi, wykazują najwyższe własności wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium. W stanie utwardzonym wydzieleniowo ich wytrzymałość na rozciąganie Rm osiąga ok. 700 MPa, a granica plastyczności R 0 2 - ok. 600 MPa, przy małym wydłużeniu A = 2-^5%. Ograniczenie ich stosowania jest związane z małą odpornością na działanie podwyższonej temperatury. Stopy te są także mało odporne na korozję, w szczególności naprężeniową, i z tego względu często plateruje się je aluminium lub stopem Al z Zn. Niektóre stopy aluminium z cynkiem można też stosować jako odlewnicze ( wg PN-EN 1706:2001).
7. Stopy żelaza
Ogólna klasyfikacja stopów żelaza z węglem
Stale i staliwa
W zależności od stężenia węgla oraz sposobu wytwarzania można dokonać ogólnej klasyfikacji stopów żelaza z węglem. Stopy o stężeniu węgla mniejszym od ok. 0,05% są
nazywane żelazem technicznym. Stopy zawierające zwykle mniej niż 2% węgla, otrzymywane w wyniku odlewania i następnej obróbki plastycznej, są nazywane stalami.
Odlewnicze stopy o tym samym stężeniu węgla noszą nazwę staliw. W stalach i staliwach węgiel występuje w postaci związanej w cementycie.
Surówki i żeliwa
Stopy żelaza o stężeniu powyżej 2% C o składzie fazowym zgodnym z wykresem Fe-Fe3C
noszą nazwę surówek białych, natomiast krzepnące zgodnie z wykresem żelazo-grafit są
nazywane surówkami szarymi. Surówki przetopione w żeliwiaku lub w innym piecu elektrycznym, często z dodatkiem złomu stalowego, noszą nazwę żeliw. Żeliwami są więc nazywane stopy odlewnicze żelaza z węglem zawierające zwykle powyżej 2% C .
Stale, staliwa oraz żeliwa niestopowe i stopowe
Stopy żelaza z węglem o niewielkim stężeniu innych pierwiastków w postaci domieszek lub
zanieczyszczeń są nazywane odpowiednio stalami, staliwami lub żeliwami niestopowymi
(określane jako węglowe). Do domieszek, które korzystnie wpływają na własności, należą Mn, Si, Cr, Ni i Cu. Natomiast zanieczyszczenia, takie jak P, S, O, H, N, wywierają ujemny wpływ na własności stopów żelaza. Pierwiastki, których stężenie przekracza umowną wartość dodawane do stopów żelaza z węglem (dla polepszenia własności) noszą nazwę dodatków stopowych. Stale, staliwa i żeliwa zawierające dodatki stopowe są nazywane stopowymi.
8. Nagłe pękanie
Niekiedy konstrukcje zaprojektowane poprawnie z punktu widzenia zarówno odkształcenia sprężystego, jak i plastycznego ulegają katastroficznemu zniszczeniu w wyniku nagłego pękania. Cechą wspólną tego typu sytuacji-pękania spawanych kadłubów statków, spawanych mostów i rur gazociągów oraz zbiorników ciśnieniowych - jest obecność pęknięć będących często efektem błędów spawania. Nagłe pękanie jest spowodowane wzrostem - zachodzącym z szybkością propagacji dźwięków w danym materiale - istniejących pęknięć, które nagle stają się niestabilne.
Krytyczny warunek nagłego pękania przybierze wówczas postać:
9. Wykresy dla polimerów kruchych, plastomerów i elastomerów
Na rysunku 11.17 przedstawiono trzy typowe przebiegi krzywych odkształcenia materiałów polimerowych. ...
DWito