PODSTAWY INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Transkrypt

1 PODSTAWY INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 WPROWADZENIE 1. GENEZA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ 2. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW 3. PROGNOZY ROZWOJU MATERIAŁÓW 2

3 Inżynieria materiałowa dziedzina nauki stosowanej, obejmująca badania składu chemicznego, struktury i właściwości materiałów metalowych i niemetalowych oraz badania wpływu składu chemicznego i struktury na właściwości materiałów w celu opracowania nowych tworzyw lub udoskonalania istniejących tworzyw, przewidywania wpływu ich syntezy i przetwarzania na właściwości, przewidywania zachowania się materiałów w czasie pracy i rozwiązywania zaistniałych problemów materiałowych. struktura = budowa właściwości = własności materiały metalowe (czyste metale i ich stopy) = metale materiały niemetalowe = niemetale 3

4 LITERATURA 1.Ashby M., Jones D.: Materiały inżynierskie. Tom I właściwości i zastosowanie. WNT, Warszawa Ashby M., Jones D.: Materiały inżynierskie. Tom II Kształtowanie struktury i właściwości, dobór materiałów. WNT, Warszawa Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT, Warszawa Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT, W-wa Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Gliwice - Warszawa Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT Warszawa Dobrzański L.A.: Metalowe materiały inżynierskie. WNT Warszawa Grabski W., Kozubowski J.: Istota inżynierii materiałowej geneza, istota, perspektywy. Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa Praca zbiorowa pod red. M. Głowackiej: Metaloznawstwo. Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Prowans. S.: Metaloznawstwo. PWN, W-wa Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa

5 1. GENEZA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Przełom XVIII/XIX wieku: odkryto, że stal jest stopem* żelaza z węglem, na podstawie eksperymentu polegającego na stopieniu tygla wykonanego z żelaza z włożonym do niego diamentem. Analiza chemiczna stała się główną metodą charakteryzowania metali. Rozpatrywano związki między składem chemicznym i technologią wykonania materiałów metalowych z podstawowymi cechami użytkowymi, takimi jak: twardość, kruchość, plastyczność. Połowa XIX wieku: powstanie nowej dyscypliny metalografii, zajmującej się badaniem i opisywaniem mikrostruktury metali, do czego doprowadził wynalazek mikroskopu świetlnego, umożliwiającego badanie w świetle odbitym nieprzezroczystych materiałów (H.C. Sorby). Przeprowadzono pierwsze badania mikrostruktury stali. *Stop tworzywo składające się z metalu stanowiącego osnowę, do którego wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek (metal lub niemetal) w celu zmiany jego właściwości w żądanym kierunku. 5

6 Połowa XIX wieku: opracowanie metod charakteryzowania właściwości mechanicznych materiałów oraz procedur badań. Wykrycie efektów związanych z odkształceniem sprężystym i plastycznym metali. Pierwsze badania nad wpływem składu chemicznego materiałów i ich obróbki cieplnej na mikrostrukturę oraz związku mikrostruktury z właściwościami użytkowymi. Początek prac nad zjawiskiem prowadzącym do umocnienia stali podczas hartowania (koniec prac początek I wojny światowej). Koniec XIX wieku: wynalezienie dokładnej metody pomiaru temperatury za pomocą termopary (Le Chatelier), co pozwoliło na wyznaczanie wykresów równowagi fazowej, przy zastosowaniu termodynamicznych zasad opracowanych przez Gibbsa. Wykresy ilustrują skład fazowy (strukturę) stopów w funkcji składu chemicznego i temperatury. Wykresy mają do dziś podstawowe znaczenie przy projektowaniu stopów. 6

7 Początek XX wieku: wykształcenie się nowej dyscypliny nazwanej metaloznawstwem, której częścią składową jest metalografia. Metaloznawstwo zajmuje się badaniem budowy fazowej materiałów metalowych oraz zachodzących w niej przemian z punktu widzenia mikrostruktury, oraz jej relacji z technologią i właściwościami, głównie mechanicznymi. Początek XX wieku: odkrycie przez von Lauego dyfrakcji promieni X na sieci krystalicznej i stwierdzenie za ich pomocą przez Braggów, że metale mają strukturę krystaliczną. Włączenie krystalografii w obszar zainteresowania metaloznawstwa, co otworzyło możliwość zmiany skali rozpatrywania struktury metali. Lata 20. XX wieku: stworzenie podstaw elektronowej teorii metali, wiążącej podstawowe właściwości ciał stałych z zachowaniem elektronów oraz podstaw teorii defektów budowy krystalicznej. Początek stosowania strukturalnego podejścia do materiałów innych niż metale. 7

8 Lata 40. XX wieku: wyodrębnienie nowej dyscypliny fizyki metali, a następnie przekształcenie jej w fizykę ciała stałego w wyniku zainteresowania innymi materiałami, głównie półprzewodnikami. Połowa XX wieku: zastosowanie mikroskopu elektronowego, o większej zdolności rozdzielczej niż mikroskop świetlny, do badań struktury materiałów. Możliwości równoległej analizy chemicznej w mikroskali oraz identyfikacji faz. Początek lat 60. XX wieku: umocnienie świadomości, że w odniesieniu do różnych klas materiałów stosuje się to samo podejście oraz dla ich badania wykorzystuje się te same metody doświadczalne, co doprowadziło do wyłonienia nauki o materiałach oraz inżynierii materiałowej, które włączyły w swoje ramy następujące dziedziny: metaloznawstwo, ceramikę, fizykochemię polimerów, fizykę ciała stałego, krystalografię, chemię fizyczną oraz elementy dyscyplin inżynierskich związanych bezpośrednio z materiałami. 8

9 2. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW Przykładowe kryteria: Skład chemiczny Struktura Zastosowanie Proces wytwarzania 9

10 METALE Klasyfikacja materiałów wg składu Zwykle ciała stałe w t. pokojowej Świeżo odsłonięta powierzchnia jest błyszcząca Zwykle plastyczne Dobrze przewodzą elektryczność i ciepło Nieprzezroczyste Tworzą stopy (stop tworzywo składające się z metalu stanowiącego osnowę, do którego wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek (metal lub niemetal) w celu zmiany jego właściwości w żądanym kierunku) NIEMETALE Ciała stałe, ciekłe i gazowe w t. pokojowej Świeżo odsłonięta powierzchnia jest zwykle matowa Kruche Izolatory Przezroczyste i nieprzezroczyste Tworzą związki chemiczne 10

11 Klasyfikacja materiałów wg struktury CIAŁA KRYSTALICZNE Układ atomów/cząstek (a/cz) w przestrzeni jest statystyczne uporządkowany, symetryczny. Położenie a/cz wyznacza się za pomocą metod rentgenowskich. Położenie a/cz odwzorowuje model geometryczny sieć przestrzenna. CIAŁA BEZPOSTACIOWE (AMORFICZNE) Układ atomów w przestrzeni jest nieuporządkowany, chaotyczny. 11

12 Klasyfikacja materiałów wg zastosowania MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE służą do budowy maszyn, konstrukcji i urządzeń MATERIAŁY NARZĘDZIOWE służą do wytwarzania narzędzi MATERIAŁY FUNKCJONALNE przeznaczone do wyrobu przedmiotów o specjalnych właściwościach (biomedycznych, magnetycznych, elektrycznych) 12

13 Klasyfikacja materiałów wg wytwarzania MATERIAŁY INŻYNIERSKIE Nie występują w przyrodzie i wymagają zastosowania złożonych procesów wytwórczych w celu ich przystosowania do potrzeb technicznych: 1. Materiały metalowe 2. Polimery (tworzywa sztuczne) 3. Materiały ceramiczne 4. Materiały kompozytowe (kompozyty) MATERIAŁY NATURALNE Występują w przyrodzie i wymagają niewielkiej obróbki, związanej z wytworzeniem wyrobów 13

14 Charakterystyka materiałów metalowych Otrzymywanie z rud procesami metalurgii Kształtowanie wyrobów metalowych: odlewanie, obróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, metalurgia proszków Kształtowanie właściwości: obróbka cieplna Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria powierzchni (warstwy wierzchniej) Właściwości: zwykle ciała stałe w temperaturze pokojowej, świeżo odsłonięta powierzchnia błyszczy, zwykle plastyczne, dobrze przewodzą elektryczność i ciepło, nieprzezroczyste, tworzą stopy (stop tworzywo składające się z metalu stanowiącego osnowę, do którego wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek, metal lub niemetal, w celu zmiany jego właściwości w żądanym kierunku) Podstawowe grupy stopów: stopy żelaza (m.in. stale, staliwa, żeliwa) i stopy metali nieżelaznych (m.in. miedzi, niklu, aluminium, tytanu) 14

15 Charakterystyka materiałów ceramicznych Materiały uformowane z drobnych nieorganicznych ziaren Wytwarzane zwykle w nieodwracalnych wysokotemperaturowych procesach Główne grupy: ceramika inżynierska i ceramika tradycyjna Właściwości: wysoka temperatura topnienia, niski ciężar właściwy, wysoka twardość, wysoka wytrzymałość na ściskanie, niska wytrzymałość na rozciąganie, duża kruchość, niska rozszerzalność cieplna, niska przewodność cieplna i elektryczna, dobra odporność na korozję 15

16 Charakterystyka polimerów Materiały organiczne zbudowane głównie z atomów węgla, wodoru, tlenu Zbudowane z makrocząsteczek zawierających wielką ilość małych elementów (monomerów) Tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem barwników, pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy Właściwości: niska gęstość, niskie przewodnictwo ciepła i elektryczności, niska wytrzymałość, nieodporne na działanie podwyższonej temperatury, dobra odporność na korozję, mała stabilność wymiarowa, ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej Podstawowe grupy polimerów: plastomery polimery o wydłużeniu przy rozerwaniu do 200%, elastomery polimery o skłonności do dużych odkształceń sprężystych 16

17 Charakterystyka kompozytów Materiały złożone z osnowy i wzmocnienia Podział ze względu na osnowę: metalowe, ceramiczne i polimerowe Wzmocnienie (zbrojenie): proszek, krótkie włókna lub płatki, długie włókna Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo WNT, Gliwice Warszawa

18 3. PROGNOZY ROZWOJU MATERIAŁÓW Rozwój materiałów inżynierskich wiąże się z epokami, w których żył człowiek. Nazwy pochodzą od używanych wtedy materiałów: kamienia, brązu, żelaza. Dzisiejsze czasy to epoka nie jednego materiału, ale szybkiego rozwoju materiałów o różnorodnych właściwościach. Rozwój materiałów inżynierskich. PEpolietylen; PPP-polipropylenCpoliwęglan; PS-polistyren;; PMMApolimetakrylan metylu (szkło organiczne); GFRC-polimery z włóknami szklanymi; CFRC-polimery z włóknami węglowymi; AFRCpolimery z włóknami aramidowymi. Według L.A. Dobrzański i in.: Metalowe materiały inżynierskie. WNT, Warszawa

19 Materiały to ważny element ekonomiki. Około 10% energii zużywanej w krajach rozwiniętych związane jest obecnie z wytwarzaniem i przeróbką materiałów, a przemysł zaawansowanych materiałów stanowi podstawowy element zapewniający ekonomiczny wzrost głównych gałęzi gospodarki. Przyczyna: powstanie nowego materiału prowadzi do pojawienia się na rynku nowych produktów o wartości wielokrotnie przekraczającej wartość zużytych materiałów. Duża waga systemu obiegu (recyclingu): surowce pierwotne (np. pozyskane w górnictwie) podlegają złożonej przeróbce zanim staną się półproduktem, a następnie wykonaną z niego częścią konstrukcji. W końcowym etapie zużyte materiały wracają do ziemi jako odpad lub ponownie trafiają do obiegu w postaci surowców wtórnych lub złomu. Obecny nacisk na problemy ekologiczne powoduje niejednokrotnie konieczność stosowania w pierwszej kolejności materiałów łatwych do ponownego przetworzenia. 19