dr inż. Hanna Smoleńska

MATERIAŁOZNAWSTWO

Wydział Mechaniczny,

Mechatronika, sem. I

Charakterystyka ciał stałych

• Materia i jej składniki

• Główne grupy materiałów inżynierskich

• Dobór materiałów

Materia i jej składniki

Materia zbudowana jest z cząstek elementarnych, liczba których obecnie wynosi ponad czterysta.

Cząstki elementarne dzieli się na, różniące się masą, ładunkiem oraz liczbami kwantowymi:

• Kwarki - są cząstkami elementarnymi istniejącymi wyłącznie w grupach po dwa (mezony) lub po trzy (bariony) i spajanymi przez oddziaływania silne przekazywane przez kwanty energii zwane gluonami,

• Leptony - mogą istnieć samodzielnie.

Najbardziej znane cząstek materii to atomy, składające się z:

• Elektronów o ładunku elektrycznym ujemnym (należących do leptonów),

• Protonów o ładunku elektrycznym dodatnim (składających się z kwarków),

• Neutronów - elektrycznie obojętnych (także składający się z trzech kwarków takich samych, jak w elektronie, ale w innych proporcjach).

Elementy struktury ciała stałego:

�Budowa atomu

�Wiązania między atomami (dlaczego metale przewodzą prąd a

ceramika nie?)

�Układ atomów w przestrzeni (dlaczego diament jest twardy a grafit

nie?)

�Mikrostruktura, tj. elementy struktury o widoczne przy

użyciu mikroskopu świetlnego

�Makrostruktura, tj. tj. elementy struktury widoczne

nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu urządzeń dających

powiększenie do około 40 x

•Atomy składają się z jądra i rozmieszczonych wokół niego elektronów. Jądro złożone jest z protonów i neutronów, zwanych łącznie nukleonami.

•Liczba protonów w jądrze równa jest liczbie elektronów i określana jest jako liczba atomowa.

•Elektrony znajdujące się na ostatniej powłoce elektronowej noszą nazwę elektronów walencyjnych lub elektronów wartościowości.

Uproszczony model budowy atomu sodu

Elektron walencyjnyJądro

BUDOWA ATOMU

•Pierwiastek chemiczny stanowi zbiór atomów o jednakowych ładunkach jąder (liczbie atomowej).

•Liczba nukleonów w jądrze definiowana jest jako liczba masowa.

•Odmiany pierwiastków chemicznych różniących się liczbąmasową nazywamy izotopami.

•Pierwiastki chemiczne są mieszaniną izotopów, w związku z czym ich masa atomowa nie jest liczbą całkowitą.

•Masa atomowa pierwiastka chemicznego określana jest jako stosunek średniej masy atomu danego pierwiastka, obliczonej z uwzględnieniem istnienia izotopów, do masy 1/12 atomu izotopu węgla o liczbie masowej równej 12. Liczba izotopów jest niekiedy znaczna, przykładowo uran posiada 5 izotopów, a mangan – 4.

•Pierwiastki chemiczne uporządkowane wg wzrastającej liczby atomowej tworząukład okresowy.

•Układ podzielony jest na 16 kolumn pionowych, zwanych grupami oraz 7 poziomych okresów.

•Pierwiastki chemiczne należące do tej samej grupy posiadają podobną strukturępodpowłok na ostatniej powłoce, co decyduje o zbliżonych własnościach tych pierwiastków.

•Pierwiastki znajdujące się w prawej kolumnie, w grupie 0 to gazy szlachetne. Mają całkowicie zapełnione ostatnie powłoki elektronowe przez 8 elektronów, co powoduje ich obojętność chemiczną.

•Pierwiastki grupy I A to metale alkaliczne, zaś grupy II A – metale ziem alkalicznych. Ich atomy zawierają 1 lub 2 elektrony, które są oddawane w przypadku łączenia się z innymi pierwiastkami.

•Pierwiastki grup III B do VIII B oraz grup I B i II B okresów od 4 do 6 nazywane sąmetalami przejściowymi.

•W okresie 6 znajdują się pierwiastki metali ziem rzadkich, zwane lantanowcami, w okresie 7 znajdują się aktynowce.

•Pierwiastki grup III A, IV A i V A mogą wchodząc w reakcje chemiczne zarówno przyłączać, jak i oddawać elektrony.

•Pierwiastki grup VI A i VIIA, zwane niemetalami (metaloidami), należą do

pierwiastków elektroujemnych, łatwo przyłączających elektrony.

B

1

2

3

4

5

6

7

Wiązania pomiędzy atomami

• Siły które utrzymują atomy razem – siły międzyatomowe (wiązania)

• Sposób ułożenia atomów w przestrzeni

Dwa czynniki wpływają na właściwości materiałów

�Atomy utrzymywane są w określonych położeniach względem siebie pod działaniem sił przyciągania i odpychania.

�Siły te są największe dla materii w stanie stałym.

�Siły przyciągania są skutkiem wzajemnego oddziaływania zewnętrznych elektronów, a siły odpychania powstają między jednoimiennie naładowanymi jądrami (rdzeniami) atomów.

Siły oddziaływania między atomami Energia potencjalna pary atomów

Rodzaje wiązań pomiędzy atomami

• Wiązania pierwotne (silne, rozrywają się, topią, w temperaturze 1000 – 5000K)

� Jonowe� Kowalencyjne� Metaliczne

• Wiązania wtórne (słabe, rozrywają się, topią, w temperaturze 100 – 500K)

� Van der Vaalsa� wodorowe

W ceramikach i metalach atomy są utrzymywane jedynie przez

wiązania pierwotne dlatego mają one wysokie własności

mechaniczne

Wiązanie jonowe

występuje wtedy, gdy elektrony walencyjne jednego pierwiastka przyłączane są do drugiego pierwiastka, tworząc trwały układ oktetowy.

Siły elektrostatycznego przyciągania występują między różnoimiennie naładowanymi jonami, a siły odpychania – między jądrami atomów.

Ponieważ siły kulombowskie działają we wszystkich kierunkach jednakowo, oba jony mogą zajmować względem siebie dowolne położenia. Wiązanie jest więc bezkierunkowe. Materiały o wiązaniu jonowym słabo przewodzą prąd oraz nie są podatne do odkształceń plastycznych.

H H H2

Takie wiązania występują w gazach, oraz w pewnych kryształach, jak krzem, german i diament, będący odmianą alotropową węgla o krystalicznej budowie.

•Wiązania kowalencyjne - tworzone są przez pary elektronów

pochodzące od obu atomów.•Siły przyciągania powstają w wyniku utworzenia wspólnej pary elektronów.•Pomiędzy jądrami atomów występują siły odpychania.•Pary elektronów należące jednocześnie do obu rdzeni tworzą mocne wiązanie, dlatego ciała o wiązaniach atomowych mają wysoką wytrzymałość i wysoką temperaturę topnienia. •Kierunek wiązania jest określony w przestrzeni.•Substancje o wiązaniu kowalencyjnym nie przewodzą prądu.

Wiązanie metaliczne

•powstaje, gdy atomy zawierają niewiele elektronów walencyjnych, łatwo odrywających się, podczas gdy elektrony głębiej położone są silnie związane z jądrem atomu.

•W wyniku oderwania elektronów walencyjnych atomy stają się jonami dodatnimi (rdzeniami atomowymi).

• Elektrony walencyjne tworzą swobodnie krążący gaz o ujemnym ładunku elektrycznym.

• Pomiędzy rdzeniami i gazem elektronów występują siły przyciągania, a pomiędzy rdzeniami – siły odpychania.

Nieustanne zrywanie i tworzenie wiązań w metalach zapewnia im zdolność do odkształcenia plastycznego.Wysokie przewodnictwo

elektryczne i cieplne metali łączy się ze swobodą przepływu elektronów.

Jony metali

Gaz swobodnych elektronów

Wiązania wtórne

są wynikiem elektrostatycznego oddziaływania dipoli powstających przy asymetrycznym rozkładzie ładunków elektrycznych w prostych cząsteczkach chemicznych.

Dipole mogą być trwałe (HF lub H2O) lub chwilowe (gazy szlachetne).

Wiązania wtórne – Van der Vaalsa

powstające w wyniku oddziaływania elektrycznego między chwilowymi dipolami, tworzonymi przez atomy lub cząsteczki na skutek nierównomiernego rozkładu ładunków elektrycznych, np. cząsteczkami chlorowodoru HCl

+_+

_

Przypadkowy dipol

pierwszego atomu

Indukowany dipol

drugiego atomu

Wiązania wodorowe

Atom tlenu

Atom wodoru

Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej

odległości wzajemnej, dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda

Każdy atom H oddaje swój elektron najbliższemu atomowi O.

Dodatnio naładowany jon H działa jak wiązanie mostkowe pomiędzy

sąsiednimi jonami tlenu, częściowo dzięki temu, że przegrupowanie

ładunku powoduje powstanie momentu dipolowego w każdej

cząsteczce H2O (co powoduje przyciąganie innych dipoli H2O)

Podstawowe grupy materiałów inżynierskich

Materiały: ciała stałe o właściwościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów

Przykładowe kryteria klasyfikacji:

�Skład chemiczny

�Struktura

�Zastosowanie

�Proces wytwarzania

Klasyfikacja materiałów wg składu

METALE

� Zwykle ciała stałe w temperaturze pokojowej

� Świeżo odsłonięta powierzchnia jest błyszcząca

� Zwykle plastyczne

� Dobrze przewodzą elektryczność i ciepło

� Nieprzezroczyste

� Tworzą stopy

NIEMETALE

� Ciała stałe, ciekłe i gazowe w temperaturze. pokojowej

� Świeżo odsłonięta powierzchnia jest zwykle matowa

� Kruche

� Izolatory

� Przezroczyste i nieprzezroczyste

� Tworzą związki chemiczne

CIAŁA KRYSTALICZNE

�Układ atomów/cząstek (a/cz) w przestrzeni jest statystyczne uporządkowany, symetryczny.

�Położenie a/cz wyznacza się przy pomocy metod rentgenowskich.

�Położenie a/cz odwzorowuje model geometryczny – sieć przestrzenna.

CIAŁA BEZPOSTACIOWE

(AMORFICZNE)

�Układ atomów w przestrzeni jest nieuporządkowany, chaotyczny.

Klasyfikacja materiałów wg struktury

Klasyfikacja materiałów wg zastosowania

MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE - służące do budowy maszyn, konstrukcji i urządzeń

MATERIAŁY NARZĘDZIOWE - służące do wytwarzania narzędzi

MATERIAŁY FUNKCJONALNE - przeznaczone do wyrobu przedmiotów o specjalnych właściwościach (biomedycznych, magnetycznych, elektrycznych).

Klasyfikacja materiałów wg wytwarzania

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

Nie występują w przyrodzie i wymagają zastosowania złożonych procesów wytwórczych w celu ich przystosowania do potrzeb technicznych:

1.Materiały metalowe

2.Polimery (tworzywa sztuczne)

3.Materiały ceramiczne

4.Materiały kompozytowe (kompozyty)

MATERIAŁY NATURALNE

Występują w przyrodzie i wymagają niewielkiej obróbki, związanej z wytworzeniem wyrobów

Podstawowe grupy materiałów

inżynierskich

Charakterystyka metali

• Tworzywa metalowe charakteryzują się wiązaniem metalicznym

• Stopy metali: układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, o przewadze wiązania metalicznego

Właściwości metali i stopów

• Dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne

• Dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności

• Połysk metaliczny

• Plastyczność

Procesy technologiczne metali i stopów

• Otrzymywanie z rud procesami metalurgii

• Otrzymywanie elementów metalowych: odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, metalurgia proszków

• Kształtowanie właściwości: obróbka cieplna

• Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria powierzchni (warstwy wierzchniej)

Podstawowe stopy metali

• Stopy żelaza z węglem: stale, staliwa, żeliwa

• Metale nieżelazne i ich stopy

Charakterystyka ceramik

• Ceramiki: materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach

• Wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach nieodwracalnych

• Materiały ceramiczne: ceramika inżynierska, cermetale, ceramika porowata, szkła, ceramika szklana

Właściwości materiałów ceramicznych

• Bardzo wysoka wytrzymałość (ale tylko na ściskanie!)

• Twardość

• Kruchość (plastyczność bliska zeru!)

• Niezdolność do poddawania obróbce cieplnej i plastycznej

Układy atomów w polimerach

Polimery są olbrzymimi, łańcuchowymi cząsteczkami, w których atomy

są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi. Taki łańcuchowy

szkielet jest zwykle zbudowany z atomów węgla np. polietylen.

Otrzymuje się go dzięki katalitycznej polimeryzacji etylenu:

C =

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

itd.

Układy atomów w polimerach

Atomy wodoru

Atomy węgla

W wielu polimerach łańcuchy są ułożone przypadkowo, a nie wg.

regularnego trójwymiarowego

wzoru są zatem niekrystaliczne

czyli amorficzne.

W innych polimerach łańcuchy mogą układać się jedne na drugich „w tę i z powrotem”. Taka

powtarzalność prowadzi do krystaliczności

polimeru.

Charakterystyka polimerów

• Materiały organiczne złożone ze związków węgla

• Makrocząsteczki powstałe w wyniku połączenia monomerów

• Tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem barwników, pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy

Właściwości polimerów

• Niska gęstość

• Właściwości izolacyjne

• Słabe odbicie światła

• Duża odporność chemiczna

• Ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej

Dobór materiałów

Wygląd, powierzchnia, dotykWłaściwości estetyczne

Łatwość wykonania, łączenia części, wykończenia

Właściwości produkcyjne

Tarcie, ścieralność i zużycie

Utlenianie i korozjaWłaściwości powierzchni

Właściwości elektryczne

Właściwości magnetyczne

Właściwości optyczneNiemechanicznewłaściwości objętościowe

Właściwości cieplne

Odporność na pełzanie

Wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na zmęczenie cieplne

Odporność na pękanie

Granica plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, twardośćMechaniczne właściwości

objętościowe

Współczynnik sprężystości i tłumienia

Gęstość

Cena i dostępnośćWłaściwości ekonomiczne

Własności materiału jako kryteria doboru

WŁASNOŚCI EKONOMICZNE

DOSTĘPNOŚĆ

• Ilość

• Lokalizacja

• Praco- i energochłonność pozyskiwania

• Próg opłacalności ekonomicznej

0,02Węgiel

0,03Siarka

Masa skorupy ziemskiej do głębokości 1 km 3·1021 kg,

oceanów 1020 kg, atmosfery 5·1018 kg

0,04Stront

0,04Bar

0,06Fluor

0,1Mangan

0,1Fosfor

0,002Węgiel0,1Wodór

0,007Brom0,4Tytan

0,04Potas2Magnez

0,04Wapń3Potas

0,1Siarka3Sód

0,1Magnez4Wapń

0,04Dwutlenek węgla1Sód5Żelazo

2Argon2Chlor8Aluminium

19Tlen10Wodór27Krzem

79Azot85Tlen47Tlen

AtmosferaPierwiastekOcean

y

PierwiastekSkorupa ziemskaPierwiastek

Czy wszystkie te bogactwa są dostępne?

Występowanie pierwiastków

Schemat McElveya

Złoża

dostępne

Złoża

perspektywiczne

Całość złóż

Ulepszona

technologia

wydobycia

Złoża zidentyfikowane Złoża niezidentyfikowane

Malejąca

opłacalność

Rosnąca niepewność geologiczna

Opłacalne

Próg

opłacalności

wydobycia

Nieopłacalne

Zużycie materiałów

r – przyrost procentowy w roku

C0 – szybkość zużycia dla t=t0

C [

ton

a/ro

k]

Czas t [ lata]

C0

t0 t

0100

Cr

dt

dC=

Pole = zużycie

pomiędzy t0 i t

100

)(exp 0

0

ttrCC

−

=

Czas podwojenia zużycia tD

otrzymamy przyjmując C/C0=2

rrtD

702ln

100≈=Dla stali r = 3,4% to tD~20 lat

Dla aluminium r = 8% to tD~9 lat

Dla polimerów r = 18% to tD~4 lat

Okres połowicznego wyczerpania zasobów

• Gaz ziemny i ropa naftowa – 25 lat

• Srebro, cyna, wolfram, cynk, ołów, rtęć -50÷80 lat

• Aluminium, żelazo, krzemiany – kilkaset lat

Energochłonność materiałów

Koszt energii w 1980 4,4 $/GJ

29Węgiel

44Ropa naftowa

0,1Żwir

2Drewno

4Cegła

8Cement

20Szkło

50Stal

70Cynk

100 ze wzrostem do 500Miedź

100Tworzywa sztuczne

300Aluminium

Energia GJ/tMateriał