Materiałoznawstwo - Skrypt.pdf
(
6019 KB
)
Pobierz
Metaloznawstwo jest nauką o budowie, właściwościach i metodach badań metalicznych materiałów konstrukcyjnych, tzn
1.
Wstęp
1.1.Historyczny rozwój materiałów
Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały dla zdobycia
pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu
życia. Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do przekonania, że o jej rozwoju decyduje
w dużej mierze rozwój materiałów i towarzyszący temu rozwój sił wytwórczych. Świadczy o
tym niewątpliwie między innymi nazwanie różnych okresów w dziejach ludzkości od
materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, np. epoki: kamienia, brązu, żelaza.
Również wdrożenie różnych wynalazków stało się możliwe dopiero po udostępnieniu
odpowiednich materiałów. Przykładowo już w notatkach Leonardo da Vinci z piętnastego wieku
znaleziono szkic helikoptera, lecz śmigłowiec wyprodukowano dopiero w latach czterdziestych
dwudziestego wieku. Statki kosmiczne dawno opisano w literaturze, a niezbędnych obliczeń
dokonano już w pierwszym dziesięcioleciu dwudziestego wieku, gdy pierwszy sztuczny satelita
Ziemi wystartował z sukcesem dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych, a pierwszy prom
kosmiczny w latach siedemdziesiątych tego wieku.
1.2. Materiały konstrukcyjne
Metaloznawstwo jest nauką o budowie, właściwościach i metodach badań metalicznych
materiałów konstrukcyjnych, tzn. używanych do produkcji maszyn, urządzeń i konstrukcji.
Zadaniem tej dziedziny wiedzy technicznej jest określanie wpływu zmiany warunków
zewnętrznych, w tym również wywołanej procesami technologicznymi, na budowę tworzywa
oraz ustalanie zależności pomiędzy składem i budową tworzywa a jego właściwościami.
Zrozumienie tych zależności wymaga znajomości elementarnych mikroprocesów zachodzących
w materiale pod wpływem zmian temperatury, obciążenia i innych czynników zewnętrznych.
Zdefiniowanie pojęcia struktury (budowy) materiału zależy od przyjętej skali obserwacji.
W skali podmikroskopowej (atomowej) rozpatruje się
strukturę krystaliczną
,
tj. przestrzenny
rozkład cząstek materii (atomów, jonów, cząsteczek), typ i symetrię sieci przestrzennej, rozkład
cząstek materii w komórce zasadniczej, jej wymiary wreszcie. Współczesne metody
eksperymentalne w zasadzie nie umożliwiają bezpośredniej obserwacji poszczególnych atomów,
a tylko pewnych ich zgrupowań (np. strefy G P). Jednak pośrednio metodami dyfrakcji
rentgenowskiej lub elektronowej wymienione cechy struktury krystalicznej można określić i
zmierzyć ze znaczną dokładnością.
W skali mikroskopowej rozpatruje się
podstrukturę
,
tj. strukturę rzeczywistą kryształu albo
ziarna. Struktura rzeczywista obejmuje granice, orientację i rozmiary bloków oraz defekty
struktury krystalicznej. Bezpośrednią obserwację podstruktury, zwłaszcza granic
wąskokątowych lub dyslokacji, umożliwia mikroskopia elektronowa z wykorzystaniem techniki
folii.
Wreszcie w skali mikroskopowej albo makroskopowej mówi się odpowiednio o
mikrostrukturze
albo
makrostrukturze
.
Jej opis obejmuje w materiałach jednofazowych kształt, wielkość i
orientację poszczególnych ziarn, a w materiałach wielofazowych ponadto rodzaj, udział i
wzajemne usytuowanie faz składowych. W obu przypadkach opis obejmuje również ewentualne
wady materiałowe: wtrącenia niemetaliczne (kształt i rozkład wydzieleń), pęknięcia, pory itp.
Metody makroskopii oraz mikroskopii świetlnej i elektronowej umożliwiają bezpośrednią
obserwację makrostruktury i mikrostruktury materiału oraz przy wykorzystaniu odpowiednich
wskaźników jej ilościowy opis.
Pełny opis struktury wymaga więc znajomości składu chemicznego materiału (faz
składowych), struktury krystalicznej, podstruktury i mikrostruktury. Warto pamiętać, że
struktura materiału jest stabilna w określonych warunkach zewnętrznych (temperatura,
ciśnienie). Zmiana tych warunków może wywołać w materiale przemianę fazową i w
konsekwencji zmianę struktury, a więc i właściwości. Analogiczny skutek można uzyskać
poddając materiał odpowiednim procesom technologicznym; w tym zakresie szczególnie
efektywne są obróbka plastyczna i obróbka cieplna.
Do cech materiału o szczególnym znaczeniu użytkowym należą właściwości mechaniczne.
2
Rozumie się przez nie zespół cech (granica sprężystości, wytrzymałość, twardość)
określających wytrzymałość oraz (granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie, udarność)
charakteryzujących plastyczność materiału. Spośród nich najczęściej wytrzymałość albo granica
plastyczności są podstawą obliczeń podczas projektowania. Decydując o wymiarach przekroju
elementów, niezbędnych do przenoszenia przewidywanych obciążeń, wespół z ciężarem
właściwym przesądza o gabarycie i ciężarze konstrukcji.
Zespół cech umożliwiających zachowanie, niezmiennych w czasie, właściwości materiału,
jak odporność na korodujące lub mechaniczne (erozja, kawitacja) działanie środowiska oraz
mechaniczne działanie (ścieranie) współpracujących elementów, wreszcie odporność na
działanie podwyższonej temperatury decydują o niezawodności i trwałości konstrukcji.
Przez właściwości technologiczne rozumie się podatność materiału do określonych technik
wytwarzania, jak odlewanie (lejność), spawanie (spawalność), obróbka plastyczna (ciągliwość,
tłoczność), obróbka skrawaniem (skrawalność), obróbka cieplna (hartowność) itp. Właściwości
te, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, decydują o wyborze optymalnej technologii, a w
połączeniu z ceną materiału o koszcie konstrukcji.
Specjalne właściwości fizyczne, np. temperatura topnienia, rozszerzalność cieplna,
przenikalność magnetyczna itp., czy chemiczne, np. odporność na utlenianie w wysokiej
temperaturze, odporność na działanie określonej substancji chemicznej itp., w konkretnych
przypadkach przesądzają wybór materiału, usuwając na dalszy plan właściwości mechaniczne,
technologiczne oraz cenę.
Ogromna liczba współcześnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych stwarza wielorakość
kryteriów klasyfikacyjnych. Jedną z najogólniejszych jest klasyfikacja oparta na charakterze
dominującego wiązania działającego między cząstkami materii. Z tego punktu widzenia
wyróżnia się materiały:
metaliczne o wiązaniu metalicznym,
ceramiczne o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym,
polimeryczne, w których działa wiązanie kowalencyjne (w obrębie makrocząsteczek) i
siły Van der Waalsa (między makrocząsteczkami).
Materiały metaliczne
,
tj. metale techniczne i ich stopy, należą do grupy tworzyw
krystalicznych. Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i
plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz zróżnicowaną odpornością na
korozję. Odznaczają się na ogół dobrymi właściwościami technologicznymi oraz łatwością
nadawania im (stopy metali) bardzo różnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych. Wadą
materiałów metalicznych jest na ogół duży ciężar właściwy. Stanowią one podstawowe
tworzywo na wyroby przemysłu maszynowego oraz na konstrukcje metalowe.
Materiały ceramiczne
należą w zasadzie do tworzyw krystalicznych, jakkolwiek mogą mieć
pewien udział fazy amorficznej. Cechuje je duża twardość i kruchość. Przeważnie są izolatorami
elektrycznymi i cieplnymi, o znacznej odporności na korozję. Wadą ich są złe właściwości
technologiczne, przez co wymagają specjalnych technik przetwarzania. Właściwości
predystynują materiały ceramiczne do specjalnych zastosowań, np. do wyrobu elementów
żaroodpornych, elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych oraz jako specjalne materiały
narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).
Materiały polimeryczne
, tj. tworzywa sztuczne, należą do grupy tworzyw amorficznych.
Odznaczają się stosunkowo dobrymi właściwościami mechanicznymi, są elektroizolatorami oraz
są bardzo odporne na działanie czynników chemicznych. Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a
wadą - mała odporność na działanie temperatur przekraczających 200-300° C (organiczne
związki węgla z wodorem i tlenem). Aktualnie obserwuje się ogromny wzrost zastosowań
tworzyw sztucznych, coraz skuteczniej konkurujących z materiałami metalicznymi w zakresie
elementów maszyn i zdecydowanie wypierających metale i szkło w zakresie opakowań, albo
metale i drewno w zakresie elementów wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego. Jednym z
powodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych jest możliwość wydatnego powiększenia ich
cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np. włóknami metalicznymi lub
ceramicznymi (szkło, węgiel).
JW
2.
Struktura materiałów
2.1.
Budowa atomu
3
JW
Każdy przedmiot, zarówno wytworzony przez przyrodę, jak i będący dziełem pracy ludzkiej,
utworzony jest z materii, która za pomocą procesów chemicznych lub fizycznych można
rozłożyć na proste składniki, zwane pierwiastkami. Składniki te nie ulegają zmianie w żadnych
reakcjach chemicznych.
Najmniejsza cząstka pierwiastka jest atom, będący skupieniem jeszcze drobniejszych cząstek
materii, zwanych elementarnymi. Cząstkami tymi są elektrony, protony i neutrony. Teorię
budowy pojedynczego izolowanego atomu opracowano z wykorzystaniem mechaniki falowej.
Mechanika falowa umożliwia opisanie zachowania się elektronów w atomach i kryształach.
Każdy atom składa się z części wewnętrznej, tj. tzw. jądra i części zewnętrznej - powłok
elektronowych. Średnice wszystkich atomów są bardzo małe i zawierają się w granicach od
0,106 nm dla azotu do 0,58 nm dla fransu. Znacznie mniejsze rozmiary maja jądra atomów
zbudowane z protonów i neutronów (średnice rzędu 0,0001 nm), a najmniejsze są średnice
elektronów, które zawsze wynoszą 0,000 002 8 nm, czyli 2,8 • 10
-12
mm.
Podstawowa cecha atomu jest jego masa atomowa (ciężar atomowy), wyrażona jednostką
względna w stosunku do 1/16 masy atomu tlenu (umownie przyjęto masę jednego atomu tlenu
na 16 jednostek). Praktycznie za masę atomu przyjmuje się masę jego jądra (tj. protonów i
neutronów) gdyż masa elektronów jest bardzo mała i wynosi 9,009 • 10
-28
g, tzn. 0,000 55 część
masy atomu wodoru. Masa protonów wynosi 1,6 • 10
-24
g, tzn. jest równa masie atomu wodoru
(w jednostkach względnych ma masę równa 1), masa neutronów jest zbliżona do masy
protonów.
Elektrony krążą dookoła jądra z bardzo duża prędkością po ściśle określonych eliptycznych
orbitach (torach) i zawierają w sobie jeden elementarny ładunek elektryczności ujemnej,
równoważąc w ten sposób dodatnio naładowane jądro o ładunku równym sumie ładunków
wszystkich elektronów, tak że atom jako całość jest elektrycznie obojętny. Trzeba jednak
podkreślić, że elementarne ładunki dodatnie, równe co do wielkości elementarnym ładunkom
ujemnym zawartym w elektronach, mają tylko protony, toteż ich liczba w atomie zawsze
odpowiada liczbie elektronów. Natomiast liczba neutronów nie zawierających ładunku
elektrycznego jest różna.
Obecnie znanych jest 105 różnych pierwiastków chemicznych, przy czym ostatnich
trzynaście zostało wytworzonych sztucznie. Wszystkie te pierwiastki można uszeregować w tzw.
układ okresowy
1)
wg wzrastających (z małymi wyjątkami) ciężarów atomowych, od
najlżejszego wodoru do pierwiastków najcięższych. Każdy z nich ma swoją kolejną liczbę
porządkową określającą zarówno wielkość ładunku elektrycznego jądra, a więc liczbę protonów,
jak i miejsce w układzie okresowym, co jednocześnie ustala własności chemiczne pierwiastka i
większość własności fizycznych (temperaturę topnienia, przewodnictwo elektryczne, budowę
wewnętrzną, własności magnetyczne itd.).
Okresowy układ pierwiastków w postaci obecnie najczęściej stosowanej przedstawiono na
rys. 2.1. Jak widać, w niektórych przypadkach pierwiastek następny ma niższą masę atomową od
poprzedniego (np. potas i argon, nikiel i kobalt itd.). Dzieje się tak dlatego, że większość
pierwiastków jest mieszaniną swych
izotopów
2)
o różnych masach atomowych równych liczbom
całkowitym. Występujący np. w potasie w największej ilości izotop ma masę atomową 39,
odpowiedni izotop argonu - 40, w wyniku czego mieszanina izotopów argonu ma większą masę
atomową, niż mieszanina izotopów potasu.
Z tego samego powodu masa atomowa pierwiastków mających izotopy wyraża się
przeważnie liczbą ułamkową (izotopy występują w różnych stosunkach).
Układ okresowy w pionowych kolumnach grupuje pierwiastki o podobnych własnościach. W
wierszach poziomych, zwanych okresami, umieszczone są z lewej metale, z prawej niemetale;
1) Pierwszy zauważył to chemik rosyjski Dymitr Mendelejew (1834 — 1907).
2) Izotopy — odmiany tego samego pierwiastka, rożnącę się tylko ilością neutronów w jądrze, np. nikiel ma 5
izotopów o masach atomowych równych 58, 60, 61, 62 i 64, tzn. zawierających po 28 protonów i odpowiednio 30,
32, 33, 34 i 36 neutronów.
4 JW
do metali zalicza się wszystkie pierwiastki znajdujące się w układzie okresowym na lewo od
galu, indu i talu, do niemetali — pierwiastki znajdujące się na prawo od arsenu, antymonu i
bizmutu.
Rys. 2.1
Układ okresowy pierwiastków
. Natomiast pierwiastki znajdujące się w kolumnach IIIb, IVb i Vb zajmują miejsce pośrednie,
gdyż bez zastrzeżeń nie można ich zaliczyć ani do jednej, ani do drugiej grupy.
Jak wspomniano, elektrony poruszają się wokół jądra atomu po określonych torach, tworząc tzw.
powfoki i podpowfoki elektronowe.
Pierwiastki pierwszego okresu (H, Hę) mają tylko jedną
powłokę elektronową, która nie może zawierać więcej niż 2 elektrony (podpowłoka s).
Pierwiastki drugiego okresu (Li, Be, B itd.) mają dwie powłoki elektronowe; pierwsza zawiera 2
elektrony, druga — 1-8 (1-2 na podpowłoce s i 0-6 na podpowłoce p). Pierwiastki trzeciego
okresu (Na, Mg, Al itd.) pierwszą i drugą powłokę mają taką samą, jak ostatni pierwiastek
drugiego okresu — neon, ale poza tym mają jeszcze trzecią powłokę elektronową, złożoną z
dwóch podpowłok: s, na której znajduje się 1-2 elektronów, i p, na której znajduje się 0-6
elektronów, przy czym maksymalną ilość elektronów zawiera atom ostatniego pierwiastka tego
okresu - argonu, którego liczba atomowa wynosi 18.
Strukturę elektronową atomów omówionych pierwiastków zapisuje się następująco:
1. H- 1s
1
2. He – 1s
2
3. Li – 1s
2
2s
1
………………
7. N – 1s
2
2s
2
2p
3
……………….
10. Ne - 1s
2
2s
2
2p
6
11. Na- 1s
2
2s
2
2p
6
3s
1
…………………….
18. Ar - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
,
gdzie: l, 2, 3 ... są głównymi liczbami kwantowymi, określającymi poszczególne powłoki
elektronowe K, L, M, ...; s, p, ... poboczne liczby kwantowe określające podpowłoki
elektronowe; indeksy górne oznaczają liczbę elektronów w danej pod-powłoce elektronowej.
Rozbudowa zewnętrznych powłok elektronowych atomów pierwiastków czwartego okresu
przebiega nieco inaczej. Rozpoczynający ten okres potas ma zewnętrzny elektron umieszczony
w podpowłoce 4s zamiast 3d:
19. K - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
1
podobnie
20. Ca- 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
Dopiero poczynając od skandu następuje rozbudowa podpowłoki 3d (mieszczącej maksymalnie
10 elektronów), poprzedzona całkowitym lub częściowym (chrom) zapełnieniem podpowłoki 4s:
21. Sc - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
1
4s
2
22.
Ti - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
2
4s
2
………………………………
26. Fe - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
6
4s
2
27.
Co - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
7
4s
2
28. Ni - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
8
4s
2
29. Cu - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
1
Pierwiastki o rozbudowującej się podpowłoce d nazywają się
pierwiastkami przejściowymi
lub
metalami przejściowymi
.
Pozostałe pierwiastki tego okresu po wypełnieniu podpowłok 3d i 4s rozbudowują
podpowłokę 4p, osiągając dla kryptonu konfigurację 4s
2
4p
6
, charakterystyczną dla gazu
szlachetnego. Struktury elektronowe atomów pierwiastków piątego okresu rozbudowują się tak
jak czwartego,
tzn. w kolejności 5s, 4d i 5p.
Okres szósty zawiera 32 pierwiastki. Cez, bar i lantan mają elektrony zewnętrzne
rozmieszczone kolejno w podpowłokach 6s i 5d:
57. La - 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
5s
2
5p
6
5d
1
6s
2
Kolejne jednak pierwiastki rozbudowują podpowłokę 4f, mieszczącą 14 elektronów. Te
pierwiastki (od ceru do lutetu) nazywa się
lantanowcami
lub
pierwiastkami ziem rzadkich
.
Dopiero po wypełnieniu podpowłoki 4f następuje uzupełnienie podpowłoki 5d, a później 6p.
Ostatni pierwiastek tego okresu radon jest gazem szlachetnym, gdyż ma konfigurację elektronów
zewnętrznych
6s
2
6p
6
.
W okresie siódmym trzy pierwsze pierwiastki frans, rad i aktyn mają zewnętrzne elektrony
rozmieszczone kolejno w podpowłokach 7s i 6d. Począwszy od toru następuje rozbudowa
podpowłoki 5f. Pierwiastki zawierające tę podpowłokę nazywają się
aktynowcami,
Od struktury elektronowej, a zwłaszcza od konfiguracji elektronów powłoki zewnętrznej
zależą własności chemiczne pierwiastków. Atomy z powłoką zewnętrzną całkowicie wypełnioną
elektronami mają kulistą chmurę elektronów, są chemicznie obojętne i w przyrodzie występują
jako jednoatomowe. Atomy z powłoką zewnętrzną niecałkowicie wypełnioną elektronami mają
mniej symetryczną powłokę elektronową i są skłonne do łączenia się w cząsteczki (np. wodór).
Elektrony krążące w zewnętrznej powłoce nazywa się elektronami walencyjnymi lub
wartościowości. Od nich zależą wiązania atomowe. Atom z niecałkowicie wypełnioną
zewnętrzną powłoką, dążąc do uzyskania struktury elektronowej zbliżonej do struktury gazu
szlachetnego, oddaje swoje lub przyłącza elektrony walencyjne innego atomu. Pierwiastki
oddające swe elektrony walencyjne nazywa się
elektrododatnimi
,
przyłączające elektrony -
elektroujemnymi
.
Metale mają l lub 2 elektrony w zewnętrznej powłoce elektronowej i są zawsze pierwiastkami
elektrododatnimi. Najbardziej typowe metale, jak sód, potas, miedź, srebro i złoto, mają tylko
jeden elektron walencyjny. Do metali zalicza się także pierwiastki przejściowe i pierwiastki ziem
rzadkich. Szczególna struktura elektronowa pierwiastków przejściowych wyjaśnia m.in. ich
wysoką temperaturę topnienia oraz zdolność tworzenia trwałych związków z węglem i azotem.
Pierwiastki mające trzy, cztery lub pięć elektronów walencyjnych (np. aluminium, cyna,
bizmut) mają własności amfoteryczne i mogą zarówno oddawać, jak i przyłączać elektrony
walencyjne. Pierwiastki o sześciu lub siedmiu elektronach walencyjnych są typowymi
niemetalami.
JW
5
Plik z chomika:
aos.artur2
Inne pliki z tego folderu:
Inteligentny dom.jpg
(174 KB)
Chudzicki J. - Instalacje wodociągowe.jpg
(101 KB)
Chudzicki J. - Instalacje wodociągowe.pdf
(13096 KB)
Jarząbek D. - W promieniach słońca.jpg
(55 KB)
Jarząbek D. - W promieniach słońca.pdf
(7501 KB)
Inne foldery tego chomika:
Pliki dostępne do 08.07.2024
Pliki dostępne do 16.11.2022
Pliki dostępne do 21.01.2024
[★ SYMULATORY★ ]
++GRY-WYŚCIGI
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin