Materiałoznawstwo- Skrypt.pdf

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.

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).

2. Struktura materiałów

2.1. Budowa atomu

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.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: