Materiałoznawstwo mechatronika

MATERIAŁOZNAWSTWO
Wydział Mechaniczny,
Mechatronika, sem. I
dr inż. Hanna Smoleńska
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
BUDOWA ATOMU
•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 walencyjny
Jądro
•Pierwiastek chemiczny stanowi zbiór atomów
jednakowych ładunkach jąder (liczbie atomowej).
o
•Liczba nukleonów w jądrze definiowana jest jako liczba
masowa.
•Odmiany pierwiastków chemicznych różniących się liczbą
masową 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 tworzą
układ okresowy.
•Układ podzielony jest na 16 kolumn pionowych, zwanych grupami oraz 7
poziomych okresów.
•Pierwiastki chemiczne należące do tej samej grupy posiadają podobną strukturę
podpowłok 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.
1
2
3
B
4
5
6
7
•Pierwiastki grup III B do VIII B oraz grup I B i II B okresów od 4 do 6 nazywane są
metalami 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.
Wiązania pomiędzy atomami
Dwa czynniki wpływają na właściwości materiałów
• Siły które utrzymują atomy razem – siły
międzyatomowe (wiązania)
• Sposób ułożenia atomów w przestrzeni
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.
•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.
H
H
H2
Takie wiązania występują w gazach, oraz w pewnych kryształach, jak krzem,
german i diament, będący odmianą alotropową węgla o krystalicznej budowie.
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.
Jony metali
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.
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
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)
Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej
odległości wzajemnej, dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda
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
Klasyfikacja materiałów wg struktury
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 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
MATERIAŁY NATURALNE
Nie występują w przyrodzie i
wymagają zastosowania
złożonych procesów
wytwórczych w celu ich
przystosowania do potrzeb
technicznych:
Występują w przyrodzie i
wymagają niewielkiej
obróbki, związanej z
wytworzeniem wyrobów
1.Materiały metalowe
2.Polimery (tworzywa
sztuczne)
3.Materiały ceramiczne
4.Materiały kompozytowe
(kompozyty)
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:
H
H
H
H
H
H
H
C= C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
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
Własności materiału jako kryteria doboru
Właściwości ekonomiczne
Cena i dostępność
Gęstość
Współczynnik sprężystości i tłumienia
Mechaniczne właściwości
objętościowe
Granica plastyczności, wytrzymałości na
rozciąganie, twardość
Odporność na pękanie
Wytrzymałość zmęczeniowa, odporność
na zmęczenie cieplne
Odporność na pełzanie
Właściwości cieplne
Niemechaniczne
właściwości objętościowe
Właściwości optyczne
Właściwości magnetyczne
Właściwości elektryczne
Właściwości powierzchni
Właściwości produkcyjne
Właściwości estetyczne
Utlenianie i korozja
Tarcie, ścieralność i zużycie
Łatwość wykonania, łączenia części,
wykończenia
Wygląd, powierzchnia, dotyk
WŁASNOŚCI EKONOMICZNE
DOSTĘPNOŚĆ
• Ilość
• Lokalizacja
• Praco- i energochłonność pozyskiwania
• Próg opłacalności ekonomicznej
Występowanie pierwiastków
Pierwiastek
Skorupa ziemska
Pierwiastek
Ocean
y
Pierwiastek
Atmosfera
Tlen
47
Tlen
85
Azot
79
Krzem
27
Wodór
10
Tlen
19
Aluminium
8
Chlor
2
Argon
2
Żelazo
5
Sód
1
Dwutlenek węgla
0,04
Wapń
4
Magnez
0,1
Sód
3
Siarka
0,1
Potas
3
Wapń
0,04
Magnez
2
Potas
0,04
Tytan
0,4
Brom
0,007
Wodór
0,1
Węgiel
0,002
Fosfor
0,1
Mangan
0,1
Fluor
0,06
Bar
0,04
Stront
0,04
Siarka
0,03
Węgiel
0,02
Czy wszystkie te bogactwa są dostępne?
Masa skorupy ziemskiej do głębokości 1 km 3·1021 kg,
oceanów 1020 kg, atmosfery 5·1018 kg
Schemat McElveya
Złoża zidentyfikowane
Opłacalne
Próg
opłacalności
wydobycia
Nieopłacalne
Złoża
dostępne
Ulepszona
technologia
wydobycia
Złoża niezidentyfikowane
Złoża
perspektywiczne
Całość złóż
Rosnąca niepewność geologiczna
Malejąca
opłacalność
Zużycie materiałów
dC
r
=
C0
dt 100
C [ tona/rok]
r – przyrost procentowy w roku
C0
t0
C0 – szybkość zużycia dla t=t0
r (t − t0 )
C = C0 exp
100
Pole = zużycie
pomiędzy t0 i t
Czas t [ lata]
t
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
Czas podwojenia zużycia tD
otrzymamy przyjmując C/C0=2
100
70
tD =
ln 2 ≈
r
r
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
Materiał
Energia GJ/t
Aluminium
300
Tworzywa sztuczne
100
Miedź
100 ze wzrostem do 500
Cynk
70
Stal
50
Szkło
20
Cement
8
Cegła
4
Drewno
2
Żwir
0,1
Ropa naftowa
44
Węgiel
29
Koszt energii w 1980 4,4 $/GJ