Nauka o materiałach - vademecum wiedzy.doc

KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW

Wykład 1: Cele doboru materiałów i procesu wytwarzania

szkła metaliczne

stopy Al.-Li

stale dwufazowe

stale mikroskopowe

nowe nadstopy

Znaczenie materiałów

Spadek znaczenia (do ok. 1960),
następnie ciągły wzrost

Metale

powolny rozwój

Polimery

Kompozyty

Ceramika

Klasy materiałów inżynierskich – wyróżnia się 6 rodzin:

ü       METALE (stale, żeliwo, stopy: Cu, Zn. Ti, Al)

ü       POLIMERY (poliestry, epoksydy, fenole, PE, PET, RP, C, PS, PEEK, PA (nylon))

ü       ELASTOMERY (kauczuk naturalny, butylowy, neopren, izopren, silikony, EVA

ü       CERAMIKI (Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC)

ü       SZKŁA (szkło sodowo-wapniowe, borowo-krzemowe, kwarcowe, tworzywa szklano-ceramiczne)

ü       HYBRYDY (kompozyty, kanapki, struktury segmentowe, siatki, sploty)

Projektowanie -  stworzenie produktu efektywnie i bezpiecznie spełniającego swoją funkcję przy rozsądnych kosztach. Polega na poszukiwaniu najlepszego dopasowania między zespołem własności materiału i zespołem własności wymaganym w projekcie.

TEST ð  WYNIKI TESTU ð WSZYSTKIE DANE ð POTENCJALNE ZASTOSOWANIA ð PRODUKT KOŃCOWY

Dobór procesu jest zależny od własności materiału (formowalności, skrawalności, spawalności, obrabialności cieplnej itd.).

Proces określa kształt, wielkość, dokładność wykonania i koszt wyrobu.

Dobór materiału realizowany zależnie od doboru procesów (kształtowania, łączenia, wykończenia czy innego procesu wytwarzania wyrobu).

Każdy materiał charakteryzuje odpowiedni zespół własności (gęstość, wytrzymałość, odporność na korozję, ciągliwość itd.)

Własności materiału i kształt końcowy wyrobu ograniczają zakres możliwych procesów.

Końcowy dobór materiału

Poszukiwanie informacji wspierających (należy zbadać historię materiałów najlepszych w rankingu)

Selekcja za pomocą ograniczeń (eliminacja materiałów nie spełniających wymagań)

Ustalenie rankingu

(wyszukanie materiałów najlepiej spełniających wymagania)

Przetwarzanie wymagań projektowych (ustalenie funkcji, ograniczeń, celów i zmiennych niezależnych)

Wszystkie

materiały

Każdy proces jest charakteryzowany zbiorem własności:

ü       jaki materiał można nim obrabiać,

ü       jakie kształty można nadać i z jaką precyzją,

ü       jak duży i o jakiej złożoności może być wyrób.

Zasady doboru materiałów inżynierskich:

ü       warunki użytkowania muszą być dostosowane do możliwości zastosowanego materiału;

ü       materiał w warunkach eksploatacji powinien być stabilny chemicznie, mechanicznie i cieplnie.

Wykład 2: Klasy materiałów inżynierskich a wiązania chemiczne

Podstawowe klasy materiałów inżynierskich:

ü      

siły międzyatomowe utrzymują atomy „razem”

FN=FA+FR

FN – siła wypadkowa działająca między atomami

FA – siła przyciągająca

FR – siła odpychająca

ü       metale i ich stopy,

ü       polimery,

ü       materiały ceramiczne,

ü       kompozyty.

Atom składa się z jądra i powłok elektronowych

ü      

ü       proton (1,6·10-19C;  1,672·10-24g)

ü      

ü       neutron (1,675·10-24g)

ü       elektron (1/1836 masy protonu)

ü       liczba atomowa – Z=ilość protonów

ü       masa atomowa – A=suma protonów i neutronów

Wiązania między atomami

Wytrzymałość mechaniczna ciał stałych jest wynikiem działania między atomami sił odpychających i przyciągających. Siły te równoważą się gdy atomy zajmują pozycje równowagowe w kryształach, a pozycjom tym odpowiadają minimalne energie potencjalne. Od nich zależą określone odległości międzyatomowe (r0).

Liczba koordynacyjna – liczba najbliższych atomów/jonów w krysztale

Wiązania jonowe:

·  Powstaje, gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom bardziej elektroujemny.

·  W wyniku utraty elektronów walencyjnych przez jeden atom i przyłączenia tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskują oktetowe konfiguracje elektronowe (jakimi charakteryzują się gazy szlachetne).

·  Tworzone przez atomy, w których występuje odpowiednio brak i nadmiar jednego lub dwóch elektronów walencyjnych.

·  Siły przyciągania między jonami nie są kierunkowe, a o ułożeniu jonów w materiale decyduje ich wielkość.

·  Kryształy (jonowe) - przezroczyste, często o różnym zabarwieniu, duża wytrzymałość i twardość, kruchość, tendencja do łupliwości wzdłuż określonych płaszczyzn, duża rezystywność i oporność cieplna, wysoka Tt.

Wiązania kowalencyjne (atomowe):

·  Charakterystyczne w przypadku atomów pierwiastków elektroujemnych (gł. gazów, Si, Ge i diament).

·  Elektrony walencyjne (pierwotnie różnych atomów) tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów. Nie jest to zwykłe nałożenie chmur elektronowych – towarzyszy mu zmiana rozkładu gęstości elektronowej i energii.

·  kierunkowe, bardzo silne, a posiadające je kryształy są b. twarde i trwałe, wykazują wysoką Tt i dużą Rm, nie przewodzą prądu el., lub mają własności półprzewodnikowe.

·  Struktura diamentu – uwspólnione elektrony zajmują obszary rozciągające się ku narożom czworościanu, prowadząc do powstania wiązań kierunkowych.

Wiązania metaliczne:

·  Występuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu są na wystarczająco małą odległość (charakterystyczną dla stałego stanu skupienia) oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów.

·  Stosunkowo duża energia

·  Bezkierunkowe

·  Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy atomami (jonami dodatnimi), tworząc tzw.  gaz elektronowy – charakterystyczny dla tego wiązania – stanowi „lepiszcze” (wiążące jony na zasadzie przyciągania elektrostatycznego).

Wiązania wtórne:

·  Występują między wszystkimi atomami/cząsteczkami, ale ich obecność może być stwierdzona jeżeli występuje przynajmniej jedno z trzech wiązań pierwotnych.

·  Słabsze od atomowych (103 – 104 razy)

·  Ewidentne między atomami gazów szlachetnych, które mają stabilną strukturę elektronową oraz między cząsteczkami utworzonymi w wyniku wiązań kowalencyjnych (np. między łańcuchami polimerów).

Wiązania wtórne - Van der Waalsa:

·  Siły V.d.W. występują między dipolami cząsteczek/atomów, a wiązanie V.d.W. jest wynikiem przyciągania siłami Coulomba między dodatnim końcem jednego a ujemnym końcem drugiego dipola.

·  Oddziaływania takie występują między:

ü       atomami obojętnymi elektrycznie,

ü       dipolami wyindukowanymi,

ü       dipolami wyindukowanymi i cząsteczkami spolaryzowanymi (które wykazują dipole okresowo),

ü       cząsteczkami spolaryzowanymi.

Wiązania wodorowe:

·  najsilniejsze „specjalne” wiązanie wtórne, występuje między spolaryzowanymi cząsteczkami.

·  wyst. w cząsteczkach, w których wodór jest kowalencyjnie związany z fluorem (HF), tlenem (H2O) lub azotem (NH3).

·  W każdym wiązaniu H-F, H-O lub H-N pojedynczy elektron wodoru jest uwspólniony z innym atomem. Wodorowy koniec wiązania jest naładowany dodatnio przez proton, który nie jest ekranowany przez żaden elektron i jest przyciągany przez przeciwny (ujemnie naładowany) koniec innej cząsteczki.

·  Utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej odległości wzajemnej (dlatego lód ma mniejsza gęstość niż woda).

Wiązanie wtórne – wiązania  między chwilowymi dipolami (wiązanie siłami dyspersyjnymi Londona):

·  Oddziaływanie dipol chwilowy – dipol indukowany wywołane jest przez ciągłą fluktuację ładunku w cząsteczce/atomie. Mogą one powodować tym samym tworzenie chwilowych momentów dipolowych, które mogą powodować przyciąganie innych cząsteczek.

·  Powstają w atomach/cząsteczkach, które normalnie są elektrycznie obojętne.

·  Siły te powodują skraplanie gazów szlachetnych i wpływają na wzrost ich temp. wrzenia (wraz ze wzrostem  liczby atomowej) oraz wpływają na łączenie się gazów w trwałe cząsteczki (np. H2, F2 – w wyniku oddziaływań wiązania atomowego).

Źródłem wszelkich właściwości oraz potencjalnych aplikacji materiałów inżynierskich są wiązania chemiczne, a zatem konfiguracja elektronowa tworzących go pierwiastków.

Własności użytkowe materiałów inżynierskich:

Własności fizyczne, mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne czy optyczne materiałów zależne są od:

·         struktury (na poziomie mikro i makro, elektronowym, krystalicznym),

·         składu chemicznego oraz

·         od warunków eksploatacyjnych wytworzonych z nich elementów.