materiałoznastwo wykład - skrypt.pdf - materiałoznastwo - michal.stalowa

4. Wprowadzanie do materiałoznawstwa

4.1. Znaczenie i priorytety przy wyborze materiałów

„Który materiał jest najlepszy?” – to pytanie stawiane często przez osoby niezorientowane w

problematyce materiałoznawstwa, a chcące uzyskać krótką i prostą odpowiedź. Niestety odpowiedź na

to pytanie jest bardzo trudna i złoŜona, a niejednokrotnie wręcz niemoŜliwa. Dobór materiału na

konkretny wyrób uwarunkowany jest wieloma czynnikami takimi jak: konkretne właściwości

uŜytkowe, właściwości technologiczne wiąŜące się z procedurą wytworzenia przedmiotu oraz aspekty

ekonomiczne. Często wybór materiału to daleko posunięty kompromis spełniający powyŜsze warunki.

Dlatego za najlepszy materiał powinniśmy uwaŜać ten, który w danej chwili jest w stanie spełnić

wszystkie nasze wymagania.

Czynników wpływających na określenie przydatności wybranego materiału jest oczywiście więcej i są

one bardziej złoŜone:

Tabela własciwości – podział

4.2. Struktura materiałów

Stan skupienia materii - podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej

podstawowe własności fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek

tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest

faza materii.

Tradycyjny podział stanów skupienia

Tradycyjny, pochodzący z XVII w. podział stanów skupienia, wyróŜnia trzy takie stany (w nawiasach

nazwy substancji w tym stanie):

stały (ciało stałe)

ciekły (ciecz)

lotny (gaz)

Występowanie większości substancji w danym stanie skupienia zaleŜy od panujących w niej

warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury, np. woda pod normalnym ciśnieniem

atmosferycznym w temperaturze poniŜej 0°C jest ciałem stałym, w temperaturach od 0 do 100°C jest

cieczą, a powyŜej 100°C staje się gazem.

Fazy materii – to objętość materiału o jednorodnych właściwościach i chemicznych. Dobitniej

pojęcie fazy tłumaczy definicja według której fazą określa się część układu o makroskopowo

jednorodnych właściwościach termodynamicznych (składzie chemicznym, budowie krystalograficznej

i właściwościach fizycznych) oddzielona od jego pozostałej części powierzchnią rozdziału – granicą

fazową, po której przekroczeniu właściwości termodynamiczne zmieniają się w sposób skokowy.

Własności ciał w poszczególnych stanach zaleŜą od układu cząsteczek (atomów) budujących to ciało.

Z tego punktu widzenia ten stary podział jest prawdziwy tylko dla niektórych substancji, gdyŜ badania

naukowe wykazały, Ŝe to, co wcześniej uwaŜano za jeden stan skupienia, moŜna w rzeczywistości

podzielić na wiele faz materii, róŜniących się układem cząsteczek w ciele. Mogą nawet występować

sytuacje, w których istnieją w jednym ciele, w jednym momencie róŜne układy cząsteczek. W

szczególności okazało się, Ŝe stały i ciekły stan skupienia moŜe być realizowany na wiele róŜnych

sposobów. Sposoby te są nazywane fazami materii.

faza gazowa - całkowity brak organizacji - cząsteczki (lub atomy) mają pełną swobodę ruchu i nie

występują między nimi Ŝadne oddziaływania oprócz odpychania w momencie zderzeń i

przyciągania grawitacyjnego (które jest istotne dla zachowania się duŜych obszarów gazu w

przestrzeniach międzygwiezdnych); energia cząsteczek nie jest zbyt duŜa i dlatego ich zderzenia

Aktualnie w fizyce przyjmuje się istnienie następujących faz:

są spręŜyste; w gazie moŜe występować przyciągania między cząsteczkami, lecz energia tych

oddziaływań jest mniejsza od energii kinetycznej cząsteczek;

plazma - jest to w zasadzie gaz, ale tworzony przez silnie zjonizowane atomy/cząsteczki oraz

elektrony ; plazmę moŜna wytwarzać w specjalnych urządzeniach, występuje ona takŜe w jądrach

większości gwiazd; w plazmie cząsteczki mają na tyle duŜą energię, Ŝe zderzenia między

cząsteczkami nie są spręŜyste, dochodzi do wzbudzenia lub jonizacji cząsteczek; plazma

przewodzi prąd elektryczny;

faza ciekła - istnieje przyciąganie międzycząsteczkowe powodujące, Ŝe cząsteczki pozostają

blisko siebie, ale zachowują swobodę ruchu; oddziaływania te tworzą bliskozasięgowe i

średniozasięgowe uporządkowanie w cieczy lub w roztworach, przykładowo - oddziaływania

dipolowe (odpowiedzialne za hydratację jonów w roztworze), siły Van der Waalsa oraz wiązania

wodorowe; istnienie tych oddziaływań powoduje powstawanie uporządkowanych struktur

cząsteczek w cieczach, w szczególności w wodzie, bez nich nie mogłyby istnieć organizmy Ŝywe;

fazy stałe - czyli takie, które nie płyną, tzn. pod wpływem sił ścinających ulegają napręŜeniom, a

przy większych pękają lub płyną (plastyczne):

faza krystaliczna - w fazie tej cząsteczki są „zablokowane” i tworzą trwałe sieci;

kryształy plastyczne - w fazie tej cząsteczki są równieŜ zablokowane, ale mogą rotować

(obracać się) wokół własnych osi;

kryształy condis - w fazie tej cząsteczki nie mogą się przemieszczać, ale mogą zmieniać w

dość szerokim zakresie swoją konformację;

faza amorficzna - w fazie tej cząsteczki nie tworzą sieci krystalicznej, ale oddziaływania

między nimi są na tyle silne, Ŝe nie mogą się one swobodnie przemieszczać względem siebie;

czasami fazę amorficzną nazywa się teŜ „superlepką” cieczą lub cieczą „zamroŜoną”

Sieci krystaliczne

Układ krystalograficzny to system klasyfikacji kryształów ze względu na układ wewnętrzny

cząsteczek w sieci krystalicznej. System wyróŜnia siedem układów, w których wyróŜnia się 32 klasy

krystalograficzne. KaŜda klasa ma inny rodzaj symetrii w układzie cząsteczek w krysztale.

Układ cząstek wynika po części ze struktury chemicznej cząsteczki. Większość kryształów przyjmuje

formę regularnego wielościanu.

WyróŜnia się następujące układy krystalograficzne

układ regularny (sześcienny), np. sól kamienna, diament, magnetyt, spinel

układ tetragonalny, np. kasyteryt, cyrkon, wezuwian, szelit, wulfenit

układ heksagonalny, np. beryl, pirotyn, apatyt, cynkit, nefelin, grafit

układ trygonalny, np. romboedr, skalenoedr, kalcyt, korund, kwarc

układ rombowy, np. siarka, baryt, oliwin, struwit, hemimorfit

układ jednoskośny, np. wolframit, gips, tytanit, augit, ortoklaz

układ trójskośny, np. chalkantyt, dysten = cyanit, aksynit, rodonit, albit Istnieją minerały nie

mające struktury krystalicznej - amorficzne (bezpostaciowe), zwane teŜ szkłami, np. opal.

Zdjęcie mikriskopow efazy krystalicznej i amorficznej

W wyniku zróŜnicowanej budowy wewnętrznej (struktury) otrzymujemy bardzo szerokie spektrum

materiałów o zróŜnicowanych właściwościach.

Jednym z głównych podziałów wszystkich materiałów jest zróŜnicowanie w zaleŜności od

pochodzenia materiałów.

Według takiej kwalifikacji wyróŜniamy:

materiały pochodzenia naturalnego

o minerały

o materiały pochodzenia roślinnego (np. drewno, bawełna, polimery naturalne i inne)

o pochodzenia zwierzęcego

materiały syntetyczne (wytworzone przez człowieka)

o metale i ich stopy

o materiały ceramiczne

o tworzywa sztuczne (potocznie nazywane „plastikami”)

o kompozyty

o farby, lakiery, emalie i kleje

4.3. Materiały metaliczne

Materiały metaliczne , tj. metale techniczne i ich stopy, naleŜą do grupy tworzyw krystalicznych.

Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznymi, dobrą

przewodnością elektryczną i cieplną oraz zróŜnicowaną odpornością na korozję. Odznaczają się na

ogół dobrymi właściwościami technologicznymi oraz łatwością nadawania im (stopy metali) bardzo

róŜnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych. Wadą materiałów metalicznych jest na ogół

duŜy cięŜar właściwy. Stanowią one podstawowe tworzywo na wyroby przemysłu maszynowego oraz

na konstrukcje metalowe.

Metal jest materiałem (najczęściej krystalicznym) o wiązaniach metalicznych, którego główne cechy

to:

plastyczność;

spręŜystość;

dobre przewodnictwo prądu elektrycznego oraz ciepła;

ujemny współczynnik temperaturowy przewodności elektrycznej;

nieprzezroczystość;

metaliczny połysk;

wytrzymałość mechaniczna;

łatwość obróbki

Większość metali nie jest uŜywana przez nas w postaci czystej, lecz jako stopy czyli w potocznym

rozumieniu mieszaniny, których co najmniej jednym składnikiem jest metal. Dzieje się tak, poniewaŜ

czyste metale rzadko mają właściwości dostosowane do potrzeb, a moŜna je łatwo poprawić, stosując

róŜnorakie dodatki. Własności fizyczne metalu, takie na przykład jak wytrzymałość, twardość,

temperatura topnienia czy przewodność elektryczna i cieplna, zaleŜą od jego struktury krystalicznej.

Ta zmienia się zaś, gdy dodajemy doń domieszki. Powstały w procesie mieszania stop ma strukturę

róŜną od struktur swoich składników, róŜne są takŜe jego własności fizyczne. Niektóre stopy zawierają

substancje niemetaliczne, jak węgiel, krzem czy fosfor, lecz większość składa się wyłącznie z metali.

Czysty metal o idealnej strukturze odkształca się łatwo pod działaniem siły, poniewaŜ atomy

ułoŜone są regularnie. Dyslokacje powodują powstanie wolnych przestrzeni w metalu. W roztworze

starym międzywęzłowym struktura metalu jest zaburzona i wzmocniona przez obecność atomów

innego metalu.

Schemat dyslokacji – przykład

Stopy metali są obecnie najbardziej rozpowszechnionym materiałem inŜynierskim. ZróŜnicowane

własności uŜytkowe pozwalają z tego materiału wykonać najprostsze elementy takie jak uchwyty,

stojaki, śruby, a takŜe skrajnie odpowiedzialne konstrukcje stosowane w lotnictwie. Nie sposób

zapomnieć o tak zaawansowanym zastosowaniu stopów metali w inŜynierii medycznej jako materiału,

z którego wykonywane są implanty chirurgiczne.

Najczęściej spotykanym i stosowanym stopem jest stal czyli stop Ŝelaza z węglem plastycznie

obrobiony o zawartości węgla nie przekraczającej ok. 2% . Węgiel w stali najczęściej występuje w

postaci perlitu płytkowego. Postać węgla w strukturze stopu ma zasadnicze znaczenie dla jego

właściwości mechanicznych. Stal obok Ŝelaza i węgla zawiera zwykle równieŜ inne składniki

nazywane składnikami stopowymi. Do poŜądanych zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan,

wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne,

głównie tlenków siarki, fosforu, zwane są zanieczyszczeniami.

Analizując istotne kwestie związane z wpływem dodania składników stopowych na właściwości

wyjściowe stopu nie sposób poruszyć kwestii związanej z fazami materiałów.

Fazy są często oznaczone literami alfabetu greckiego np.

lub

Stan stopu opisuje się poprzez:

średni skład chemiczny;

liczbę faz;

skład chemiczny kaŜdej z faz;

udział wagowy poszczególnych faz.

Dany stop jest w stanie równowagi termodynamicznej, jeśli nie ma tendencji zmiany budowy fazowej

w funkcji czasu.

Taki układ równowagi moŜemy takŜe przedstawić w postaci wykresu dla najpopularniejszego

stopu – stali węglowej. Charakterystykę tą określa się takŜe pojęciem wykresu Ŝelazo-węgiel.

Jest to wykres zawartości węgla w stopie Ŝelaza z węglem (stali). Na osi poziomej podana jest

procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu moŜna odczytać jaką

strukturę posiada stop. W poszczególnych polach wykresu oznaczono następujące fazy: (L — roztwór

ciekły węgla w Ŝelazie, α — ferryt, γ — austenit oraz Fe 3 C - cementyt).

Wykres Ŝelazo-węgiel

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

przy bardzo niewielkiej domieszce węgla, poniŜej 0.0218% udaje się uzyskać niemal

czyste Ŝelazo α zwane ferrytem;

przy domieszce 0.77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną

ferrytu i cementytu;

przy domieszce węgla 2,0%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, a temperaturach

poniŜej 723°C ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką.

przy zawartościach węgla pomiędzy 0.0218% a 0.77% otrzymuje się stopy

podeutektyczne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu.

stopy w zakresie 0.77% do 2.11% - stale nadeutektoidalne - są mieszaninami perlitu,

cementytu lub grafitu i ledeburytu,

powyŜej 2,11% - Ŝeliwa, są mieszaninami cementytu lub grafitu i ledeburytu.

Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa

twardość stali, węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność

stali. W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest równieŜ spowodowany tendencją niektórych

metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem - głównie węglików o bardzo wysokiej

twardości.

Ze względu na znaczne zróŜnicowanie odmian stali moŜna ten stop sklasyfikować według kilku

podstawowych podziałów.

Stal dzieli się:

Ze względu na zawartość węgla i strukturę wewnętrzną:

stal podeutektoidalna

stal eutektoidalna

stal nadeutektoidalna

Ze względu na zastosowanie:

stal konstrukcyjna

• ogólnego przeznaczenia

• niskostopowa

• wyŜszej jakości

• automatowa

• łoŜyskowa

• spręŜynowa

• do azotowania

• do ulepszania cieplnego

stal narzędziowa:

• węglowa

• stopowa:

• do pracy na zimno

• do pracy na gorąco

• szybkotnąca.

stal specjalna

• nierdzewna

• kwasoodporna

• magnetyczna

• odporna na zuŜycie

• transformatorowa

• zaworowa

• Ŝaroodporna

• Ŝarowytrzymała

Z względu na rodzaj i udział składników stopowych:

stal węglowa

• niskowęglowa

• średniowęglowa

• wysokowęglowa

stal stopowa

• niskostopowa

• wysokostopowa.

Podstawowe właściwości stali

Właściwości fizyczne stali

gęstość ρ = 7,86 g/cm 3

współczynnik liniowej rozszerzalności α T = 0,000012 o C -1

współczynnik przewodzenia ciepła λ = 58 W/mK

współczynnik Poissona

= 0,30

moduł Younga E=2,06

10 5 MPa

Właściwości mechaniczne i technologiczne stali

Wytrzymałość na rozciąganie R m określana jest wielkością maksymalnej siły rozciągającej F m w

stosunku do pola przekroju początkowego próbki S 0 .

Badane są takŜe inne parametry określające napręŜenia w próbkach stali, takie jak wytrzymałość na

ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcenie. Podczas badania próbki stali na rozciąganie określane są

takŜe:

granica proporcjonalności R H (związana z graniczną wartością siły, do której zachodzi

proporcjonalność odkształcenia do siły zgodnie z prawem Hooke’a;

granica spręŜystości R sp czyli maksymalne napręŜenie, poniŜej którego materiał odkształca się

wyłącznie spręŜyście i nie wykazuje odkształcenia plastycznego; ze względu na trudności

eksperymentalnego określenia R sp oznacza się umowną granicę spręŜystości czyli napręŜenie,

materiałoznastwo wykład - skrypt.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: