Materiałoznawstwo chemiczne (metale, ceramiki i szkła).pdf

Materia ł oznawstwo chemiczne (metale, ceramiki i szk ł a)

1. Wybór materia ł u in ż ynierskiego – istotne w ł a ś ciwo ś ci,

2. Rodzaje materia ł ów in ż ynierskich i ich g ł ówne w ł a ś ciwo ś ci,

Wyró ż nia si ę 5 grup materia ł ów stosowanych w technice: metale (i ich stopy), ceramiki (i szk ł a),

polimery, kompozyty i pó ł przewodniki. Pierwsze 4 grupy materia ł ów s ą stosowane na wszelkiego

rodzaju konstrukcje, natomiast cech ą charakterystyczn ą ostatniej grupy materia ł ów s ą wyj ą tkowe

w ł asno ś ci elektryczne.

Metale i ich stopy maja dobr ą wytrzyma ł o ść mechaniczn ą i ci ą gliwo ść , dobr ą

wytrzyma ł o ś ci ą , mechaniczn ą i ci ą gliwo ś ci ą , dobr ą przewodno ść elektryczn ą i ciepln ą ,

natomiast ich niedostatkiem jest wzgl ę dnie ma ł a odporno ść korozyjna,

Ceramiki i szk ł a s ą wytrzyma ł e na dzia ł anie obci ąż e ń ś ciskaj ą cych, s ą dobrymi izolatorami

elektryczno ś ci i ciep ł a, maj ą dobr ą odporno ść korozyjn ą i na dzia ł anie wysokich temperatur,

natomiast ich niedostatkiem jest to, ż e s ą kruche,

Polimery charakteryzuj ą si ę wzgl ę dnie ma łą wytrzyma ł o ś ci ą mechaniczn ą , s ą izolatorami

elektryczno ś ci i ciep ł a podobnie jak ceramiki, natomiast nie nadaj ą si ę do zastosowa ń

wysokotemperaturowych. Polimery termoplastyczne s ą ci ą gliwe, natomiast termoutwardzalne

s ą kruche,

Kompozyty s ą kompozycja uprzednio wymienionych materia ł ów, charakteryzuj ą si ę

wyj ą tkowymi w ł asno ś ciami mechanicznymi niespotykanymi w pojedynczych materia ł ach,

Pó ł przewodniki charakteryzuj ą si ę wyj ą tkowymi w ł asno ś ciami elektrycznymi co powoduje,

ż e s ą szczególnie u ż yteczne w urz ą dzeniach elektronicznych i telekomunikacji.

3. Zale ż no ść mi ę dzy w ł a ś ciwo ś ciami materia ł u, jego struktur ą i procesem wytwarzania,

Istniej ą zale ż no ś ci mi ę dzy struktur ą , procesem wytwarzania i w ł asno ś ciami pozwalaj ą , przez

w ł a ś ciwy dobór sk ł adu chemicznego i sposób wytwarzania, na uzyskanie struktury zapewniaj ą cej

żą dane w ł asno ś ci u ż ytkowe materia ł u,

4. Budowa atomu w ś wietle odkry ć ostatnich lat,

W prostym planetarnym modelu struktury atomu przyjmuje si ę , ż e atom sk ł ada si ę z protonów i

neutronów tworz ą cych dodatnio na ł adowane jadro atomu, w których jest skupiona prawie ca ł a masa,

oraz elektronów kr ążą cych wokó ł j ą dra o ujemnym na ł adowaniu. Najmniejszym elementem, który

buduje wszystkie elementy atomu jest kwark. Liczba protonów w j ą drze atomu decyduje o tym, jakiego

pierwiastka jest atom, natomiast o tym, jakiego typu wi ą zania tworzy dany atom, decyduje jego

struktura elektronowa

Warto ść n

Symbol pow ł oki

Liczba elektronów

Symbole podpow ł ok

Proton

( + )

1,672 * 10 -24 g

Neutron

( - )

1,675 * 10 -24 g

Elektron

9,1067 * 10 -28 g

5. Rodzaje wi ą za ń mi ę dzy atomami; orientacyjne warto ś ci energii ( w kJ/mol lub eV/atom),

S ą dwa g ł ówne rodzaje wi ą za ń mi ę dzy atomami, a mianowicie mocne wi ą zania pierwotne oraz s ł abe

wi ą zania wtórne. W ś ród wi ą za ń pierwotnych wyró ż nia si ę wi ą zania jonowe, kowalencyjne i

metaliczne, natomiast wi ą zania wtórne mog ą si ę tworzy ć mi ę dzy atomami lub cz ą steczkami

charakteryzuj ą cymi si ę trwa ł ymi lub chwilowymi dipolami elektrycznymi.

Wi ą zania Metaliczne – wi ą zania chemiczne w metalach, które SA rezultatem przekszta ł cenia

atomów tego samego metalu lub atomów ró ż nych metali w zbiór kationów i swobodnie

poruszaj ą cych si ę mi ę dzy nimi elektronów,

Wi ą zania Jonowe – wi ą zania chemiczne miedzy dwoma atomami ró ż nych pierwiastków

utworzone wówczas, gdy jeden z atomów oddaje swoje elektrony staj ą c si ę kationem, a drugi

przy łą cza je staj ą c si ę anionem; wi ą zanie jest rezultatem przyci ą gania kulombowskiego

jonów o przeciwnych ł adunkach,

Wi ą zania kowalencyjne ( atomowe, walencyjne ) – wi ą zania chemiczne mi ę dzy dwoma

atomami utworzone dzi ę ki uwspólnieniu elektronów warto ś ciowo ś ci,

Wi ą zanie pierwotne – nazwa okre ś laj ą ca wi ą zania jonowe, kowalencyjne lub metaliczne,

Wi ą zania poprzeczne – wi ą zania miedzy s ą siednimi ł a ń cuchami polimeru,

Wi ą zania van der Waalsa – wi ą zania wtórne miedzy atomami lub cz ą steczkami, które s ą

indukowanymi lub trwa ł ymi dipolami,

Wi ą zania wodorowe - rodzaj stosunkowo s ł abego wi ą zania chemicznego polegaj ą cego

g ł ównie na przyci ą ganiu elektrostatycznym mi ę dzy atomem wodoru i atomem

elektroujemnym zawieraj ą cym wolne pary elektronowe. Oprócz przyci ą gania

elektrostatycznego, zachodzi przeniesienie ł adunku z akceptora na atom wodoru i zwi ą zane z

nim atomy, a tak ż e polaryzacja chmury elektronowej zarówno akceptora, jak i donora

wi ą zania wodorowego,

Wi ą zania wtórne – s ł abe wi ą zania mi ę dzyatomowe, których energia jest mniejsza ni ż 40 kJ/

mol; wyst ę puje dzi ę ki temu, ż e atomy lub cz ą steczki s ą dipolami; wi ą zaniami wtórnymi s ą

wi ą zania van der Waalsa i wi ą zania wodorowe,

Wi ą zania

Energia wi ą zania kJ/mol

Jonowe

600 - 1550

Kowalencyjne

500 - 1250

Metaliczne

100 - 850

Van der Waalsa

< 40

6. Geometria komórki elementarnej,

Komórka elementarna to wybrany w sieci punktowej, zwykle najmniejszy równoleg ł o ś cian o symetrii

takiej samej jak symetria ca ł ej sieci, którego powtarzanie w trzech wymiarach ś ciana do ś ciany,

odtwarza ca łą sie ć

punktow ą .

Sieci Bravais’go (sieci punktowe) –

czterna ś cie mo ż liwych sieci przestrzennych we których punkty sieciowe maj ą identyczne otoczenie

atomów, jonów lub cz ą steczek w strukturze krystalicznej.

7. Rodzaje struktury krystalicznej metali (oznaczenia),

Wi ę kszo ść metali ma jedn ą z trzech struktur krystalicznych:

Struktur ę regularn ą ś ciennie centrowan ą ( RSC , cF4 A1 ). Tak ą struktur ę krystaliczn ą maj ą

mi ę dzy innymi: Cu, Al, Ni, Fe- γ , Ag, Au i Pb,

Struktur ę regularn ą przestrzenie centrowan ą ( RPC , cI2 , A2 ). W tej strukturze krystalizuj ą :

Mo, W, V, Nb, Fe- α i Cr- α ,

Struktur ę heksagonaln ą zwart ą ( HZ , hP2 , A3 ). Tak ą struktur ę krystaliczn ą maj ą : Zn, Mg,

Cd, Ti- α i Zr- α

Uk ł ad krystalograficzny

Oznaczenie

Regularny

Heksagonalny i trygonalny

Tetragonalny

Rombowy

Jednosko ś ny

Trójsko ś ny

Rodzaj sieci przestrzennej

Oznaczenie

Prymitywna

Przestrzenie Centrowana

Ś ciennie Centrowana

Centrowana na Podstawie

Romboedryczna

cF4 ( c Regularna; F Ś ciennie Centrowana; 4 4 atomy PS przypadaj ą ce na komórk ę )

PS – Punkt sieciowy: punkt tworz ą cy sie ć krystalograficzn ą ; punkt o identycznym otoczeniu atomów,

jonów lub cz ą steczek w strukturze krystalicznej.

A – Pierwiastki

B – Zwi ą zki typu AB

C – Zwi ą zki typu AB 2

Liczby oznaczaj ą natomiast typ struktury w grupie: B1 – NaCl

Metale o strukturach krystalicznych RSC i HZ charakteryzuj ą si ę najg ę stszym u ł o ż eniem atomów w

przestrzeni materia ł u.

8. Wspó ł czynnik Poissona,

Liczba (wspó ł czynnik) Poissona (v) – stosunek wywo ł anego przez napr ęż enia rozci ą gaj ą ce

odkszta ł cenia poprzecznego do odkszta ł cenia wzd ł u ż nego w zakresie odkszta ł cenia spr ęż ystego,

podawany ze znakiem ujemnym.

En – nominalne odkszta ł cenie liniowe

Ep – odkszta ł cenie poprzeczne

V – wspó ł czynnik Poissona

Odkszta ł cenie – zmiana kszta ł tu cia ł a sta ł ego,

Odkszta ł cenie nominalne (En) – stosunek przyrostu d ł ugo ś ci pod wp ł ywem obci ąż enia do

d ł ugo ś ci pocz ą tkowej,

Odkszta ł cenie poprzeczne – zmniejszenie przekroju poprzecznego podczas wyd ł u ż ania

materia ł u,

Odkszta ł cenie rzeczywiste (odkszta ł cenie logarytmiczne) – odkszta ł cenie wzgl ę dne

odniesione do rzeczywistego przekroju; jest ono wyra ż one przez logarytm naturalny stosunku

d ł ugo ś ci po odkszta ł ceniu do d ł ugo ś ci pocz ą tkowej,

9. Modu ł Younga,

Modu ł Younga E (wspó ł czynnik spr ęż ysto ś ci wzd ł u ż nej) – stosunek napr ęż enia normalnego do

wywo ł anego odkszta ł cenia spr ęż ystego w zakresie odkszta ł cenia spr ęż ystego.

Napr ęż enie – si ł a przypadaj ą ca na jednostk ę powierzchni, napr ęż enie nominalne ( σ n ) jest

odnoszone do przekroju poprzecznego próbki rozci ą ganej w stanie wyj ś ciowym napr ęż enie

rzeczywiste ( σ ) odnosi si ę do aktualnego przekroju.

E – Modu ł Younga, σ – Napr ęż enie, ε – Odkszta ł cenie liniowe

Modu ł spr ęż ysto ś ci i temperatury topnienia rosn ą wraz ze wzrostem si ł wi ą za ń

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: