1 Materiałoznawstwo i korozja - regulamin przedmiotuKierownik przedmiotu: dr inż. Andrzej Królikowski Wykład: trzy części po 7 h - metale – dr inż. A. Królikowski, GCh p. 42, - polimery - dr inż. M. Tryznowski, GTCh p. 250, - ceramika – dr inż. P. Bednarek, GTCh p. 315, Zaliczenie wykładu: egzamin pisemny – test. Do zdobycia 24 pkt. (po 8 pkt. z każdej części wykładu). Do zaliczenia potrzeba 12 pkt, ale min. 3 pkt z każdej części. Ilość punktów: 12-14, , , , Ocena , , Ćwiczenia laboratoryjne 3 x 3h: Zaliczenie na podstawie kolokwium wstępnego, aktywności i sprawozdania. Ocena końcowa: 0,7 x ocena z wykładu + 0,3 x ocena z laboratorium.

2 Materiałoznawstwo i korozja cz. MetaleZakres: Właściwości funkcjonalne materiałów / metali Charakterystyka najczęściej stosowanych stopów metali i typowe zastosowania Podstawy korozji metali i metody ochrony przed korozją Ogólne zasady doboru tworzyw metalicznych

3 Egzamin: test – uwzględniana aktywność na wykładach Literatura: - M. Blicharski, Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT, Warszawa 2003, rozdz.: 4, 8,13 J. Baszkiewicz, M. Kamiński, Korozja materiałów, OWPW, Warszawa 2006, rozdz.: 3, 11 Egzamin: test – uwzględniana aktywność na wykładach Kontakt: dr inż. Andrzej Królikowski, Gmach Chemii, p. 421, Konsultacje: czwartki lub w uzgodnionym terminie

4 Test umiejętności: Właściwości mechaniczne stopów metali:Wpływ dodatków stopowych: Korozja elektrochemiczna: Ochrona przed korozją: Określenie na podstawie wykresów naprężenie - odkształcenie Określenie właściwości stopów, dobór stopów do określonych zastosowań - Określenie przebiegu korozji na podstawie wykresów E-pH, dobór materiałów odpornych - Dobór metod ochrony na podstawie wykresów E-pH i warunków eksploatacji

5 Materiały Wiązanie metaliczne metale pierwiastki ceramikatworzywa sztuczne pierwiastki związki nieorganiczne związki organiczne wielkocząsteczkowe

6 Materiały metale kompozyty polimery ceramika

7 Proteza stawu biodrowegopolimer: HDPE metal: stop tytanu ceramika: Al2O3

8 Metale = metale + stopy metali+ kompozyty na osnowie metalu Klasyfikacja: metale żelazne metale nieżelazne / kolorowe Fe i jego stopy reszta

9 Metale w układzie okresowym

10 Atomy metalu → stan metaliczny

11 Atomy metalu → stan metaliczny

12 Materiały metaliczne – budowa krystalicznaWęzły sieci obsadzone przez rdzenie atomów Uwspólnione elektrony walencyjne tworzą gaz elektronowy - ruchliwe

13 Materiały metaliczne – typowe właściwościWiązanie metaliczne: niekierunkowe → gęste upakowanie → duża gęstość → plastyczność silne → duża wytrzymałość Gaz elektronowy: ruchliwe elektrony → duże przewodnictwo elektryczne i cieplne → wzrost rezystancji z temperaturą (rozpraszanie) → łatwość tworzenia kationów → podatność na korozję

14 Charakterystyczne właściwości metalimateriały sprężysto-plastyczne; plastyczność i duża wytrzymałość (stopy), duże przewodnictwo elektryczne i cieplne, dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji połysk metaliczny, nieprzeźroczystość, łatwość ulegania korozji w roztworach (elektrochemicznej)

15 Otrzymywanie materiałów metalicznychmetalurgia: proces hutniczy + odlewanie + formowanie metalizacja: osadzanie elektrochemiczne, chemiczne, fizyczne (naparowanie próżniowe, rozpylanie katodowe, zanurzeniowe, natryskowe,…) materiały objętościowe w tym folie powłoki (cienkie, µm) na różnych podłożach

16

17 Alfa Romeo 8c Spider

18 materiał → właściwościzastosowania otrzymywanie gęstość temperatura topnienia mechaniczne elektryczne magnetyczne korozyjne materiał skład chemiczny: główny składnik, dodatki, zanieczyszczenia, warstwa wierzchnia struktura: fazowa, krystaliczna (wielkość i orientacja krystalitów, defekty)

19 materiał → właściwościzastosowania gęstość temperatura topnienia mechaniczne elektryczne magnetyczne korozyjne skład chemiczny: główny składnik, dodatki, zanieczyszczenia, warstwa wierzchnia struktura: fazowa, krystaliczna (wielkość i orientacja krystalitów, defekty)

20 Właściwości materiałów metalicznychzależne od składu chemicznego zależne od struktury

21 Budowa metali Metale polikrystaliczne: zbiór krystalitów / ziaren

22 Budowa metali Metale polikrystaliczne pod mikroskopemWielkość krystalitów od mm (struktura grubokrystaliczna) do nm (struktura nanokrystaliczna)

23 Wielkość krystalitów a właściwościmono grubo drobno- nano amorf- 1 µm 1 nm 1 mm d 1/d

24 Stopy metali Stop = substancja o właściwościach metalicznych (dominuje wiązanie metaliczne) wieloskładnikowa: główny składnik (metal) + składniki stopowe (metale i niemetale) + przypadkowe dodatki (zanieczyszczenia)

25 Krystalit stop: M1 + M2 metal M1

26 Właściwości metali: gęstośćGęstość metali zależy od: - promienia atomu (ra), - masy atomowej (M), - gęstości upakowania atomów - ra + Model atomu

27 gęste upakowanie atomówBudowa metali gęste upakowanie atomów

28 Metale lekkie (d ≤ 4,5 g/cm3)Metale ciężkie (d ≥ 4,5 g/cm3)

29 Właściwości metali: temperatura topnieniaTopnienie: przejście ze stanu stałego w stan ciekły materiał krystaliczny stopiony metal - ciecz uporządkowany nieuporządkowany Topnienie: zerwanie wiązań metalicznych

30 Metale łatwotopliwe (tt ≤ 700°C)i trudnotopliwe (tt ≥ 2 000°C) 3420ºC

31 Właściwości metali: rozszerzalność cieplnaSkutek coraz większych drgań rdzeni atomowych przy wzroście temperatury Zależna od energii wiązań między atomami (im większa tym mniejsza rozszerzalność)

32 Właściwości metali: rozszerzalność cieplna

33 Współczynnik rozszerzalności cieplnej a temperatura topnienia

34 Właściwości metali: mechaniczneNaprężenie → odkształcenie przyczyna → skutek Naprężenia rozciągające, ściskające, ścinające: zginające, skręcające…

35 Właściwości metali: mechaniczneF ∆L naprężenie: [Pa] odkształcenie: [%] L

36 Właściwości metali: mechaniczne

37 Sprężystość: zdolność materiału do powracania do pierwotnego kształtu po ustaniu naprężenia  Odkształcenie sprężyste: przemijające, tylko podczas działania naprężenia Odkształcenie sprężyste jest proporcjonalne do naprężenia (prawo Hooke’a):  = E L tg = E – moduł Younga (sprężystości wzdłużnej) 

38 Sprężystość

39 Moduł Younga: łatwość odkształceń sprężystych  F ∆L mały E duży E 2 1 L

40 Sprężystość: jaki E?

41 Sprężystość: jaki E?

42 Metale o dużej wartości E

43 Większe naprężenie?   F przewężenie

44 Odkształcenie plastyczne  Odkształcenie plastyczne: trwałe, nieodwracalne przy naprężeniach powyżej granicy sprężystości / plastyczności Re Re przewężenie nieodwracalne odkształcenie

45 Plastyczność: zdolność materiału do ulegania trwałemu odkształceniu przed zerwaniem

46 Odkształcenie sprężyste i plastyczne Odkształcenie plastyczne: trwałe, nieodwracalne przy naprężeniach powyżej granicy sprężystości / plastyczności Re odwracalne odkształcenie - sprężyste Re przewężenie nieodwracalne odkształcenie - plastyczne 

47 Odkształcenie plastyczneNiepożądane w trakcie eksploatacji produktu (uszkodzenie, awaria) Pożądane na etapie wytwarzania (obróbka plastyczna: kucie, walcowanie, gięcie, …)

48 Kształtowanie konstrukcji metalowychodlewanie tłoczenie kucie

49 Obróbka plastyczna

50 doraźna wytrzymałość na rozciąganieWiększe naprężenie? F   doraźna wytrzymałość na rozciąganie Rm zerwanie

51 Właściwości mechaniczne  Sztywność - eksploatacja Plastyczność - obróbka Zerwanie / pęknięcie - awaria Rm Odkształcenie plastyczne Re Odkształcenie sprężyste wydłużenie przed zerwaniem A

52 Właściwości mechaniczne metali:czyste metale: mała wytrzymałość, duża plastyczność stopy metali: większa wytrzymałość, mniejsza plastyczność

53 Własności mechaniczne: gdzie więcej dodatków stopowych?  wzrost wytrzymałości (Rm) spadek plastyczności (Re, A)

54 Własności mechaniczne: gdzie wyższa temperatura?  mniejsza wytrzymałość, a większa plastyczność

55 Kruchość Niektóre stopy metali  Zerwanie / pękanie bez wyraźnych odkształceń plastycznych brak plastyczności: A ≈ 0 F Rm Re Niektóre stopy metali

56 Kruchość

57 Właściwości mechaniczne: twardość

58 Właściwości metali: twardośćOdporność na odkształcenie plastyczne przy nacisku na małą powierzchnię Miara: stosunek obciążenia do odkształcenia (pola powierzchni) Proporcjonalna do wytrzymałości na rozciąganie HB = kRm

59 Skala twardości Mohsa:talk gips kalcyt fluoryt apatyt ortoklaz kwarc topaz korund diament paznokieć szkło, nóż stalowy papier ścierny

60 Właściwości mechaniczne metali:czyste metale: mała wytrzymałość i twardość, duża plastyczność stopy metali: większa wytrzymałość i twardość, mniejsza plastyczność

61 Właściwości elektryczne

62 Właściwości metali: rezystywnośćRuch nośników ładunku (swobodnych elektronów) w polu elektrycznym

63 Właściwości metali: rezystywnośćczyste metale: duża przewodność: przewody elektryczne, ścieżki przewodzące w elementach elektronicznych stopy metali: duża rezystywność: elementy oporowe, np. spirale grzejne

64 Krystalit stop: M1 + M2 metal M1Atomy dodatków stopowych wbudowują się w sieć krystaliczną metalu utrudniając: - ruch elektronów w polu elektrycznym

65 Rezystywność materiałów metalicznychmateriał metaliczny (20°C) uwagi funkcja wymagania metal m x109 przewod- niki mała rezystywność, duża wytrzymałość materiały rezys-tywne znaczna rezystywność, duża wytrzymałość Ni-Cr-Fe Fe-Cr-Al 1100 1500 Ag „czyste” metale po przeciąganiu (umocnione) Cu Au Al stopy

66 Właściwości materiałów metalicznychwytrzymałość twardość plastyczność przewodność elektryczna / cieplna gęstość temperatura topnienia odporność korozyjna dodatki stopowe wzrost temperatury         ?  ? ? ?

67 Charakterystyka podstawowych metalibarwa gęstość g/cm3 t. topn. C właściwości relacja cen mała odporność na korozję 1 (sw) Fe 7,9 1535 duża przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozję Cu czerwonawa 9,0 1083 5 jasno-srebrzysta duża przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozję Al 2,7 660 3 jasno-srebrzysta b. lekki, biokompatybilny, b. mała odporność na korozję Mg 1,7 650 6 duża odporność na korozję w agresywnych środowiskach srebrzysta Ti 4,5 1670 16 szaro-srebrzysta niska temperatura topnienia, lutowność Sn 7,3 232 10 19 3415 W srebrzysta dużą żarowytrzymałość dobra odporność na korozję, połysk Ag srebrna 10,5 962 240 odporność na korozję, połysk, plastyczność, łatwe ścieranie Au złota 19 1064 19000

68 Stopy Fe stop skład właściwości zastosowania żelazo technicz. czyste<0,1% zanieczyszczeń plastyczność, ferromagnetyzm automatyka, elektrotechnika stale węglowe <2% C (zwykle < 0,6%) łatwa spawalność, słaba odporność na korozję, lepsza wytrzymałość konstrukcyjne, narzędziowe stale stopowe celowe dodatki inne niż C lepsza wytrzymałość, odporność na korozję, na ścieranie, także sprężystość, biodegradowalność, żarowytrzymałość konstrukcyjne, narzędziowe, o specjalnych właściwościach niskostopowe do 4 % Cu,Ni,Cr,Si wysokostopowe ponad 4 % Cr,Ni,Mo,Al,Si, Mn,V,W, żeliwa 2 - 4 %C wytrzymałość, twardość, kruchość korpusy maszyn, armatura, żeliwa szare + Si, Ni, Al rury, samochody, kolej obróbka cieplna mniejsza kruchość

69 Stopy Cu stop skład właściwości zastosowaniamiedź technicz. czysta czerwona <1% zanieczyszczeń b. duża przewodność elektryczna i cieplna, plastyczność elektrotechnika, powłoki na stali, rury mosiądze żółte >2% Zn większa wytrzymałość, odporność na korozję morską części maszyn, armatura, przemysł okrętowy miedzionikle srebrne >2% Ni odporność na korozję i ścieranie, ferromagnetyzm monety, wtyki, przełączniki brązy + Sn, Al, Si, Be odporność na korozję i ścieranie najstarsze znane stopy; pomniki, armatura, łożyska

70 Monety Cu75Ni25 CuZn20Ni5 CuZnMn CuNi

71 Stopy Al stop skład właściwości zastosowaniaaluminium technicznie czyste <1% zanieczyszczeń b. duża przewodność elektryczna i cieplna, plastyczność aparatura chem., elektrotechnika, farby, naczynia kuchenne siluminy do 30% Si mały skurcz odlewniczy części silników i maszyn, przemysł okrętowy durale do 5% Cu mały skurcz odlewniczy, twardość części maszyn, galanteria stołowa Al-Mg do 12% Mg mała gęstość lotnictwo Al-Li do 5% Li b. mała gęstość lotnictwo

72 Stopy Al

73 Stopy Mg stop skład właściwości zastosowania Mg-Al do 11% Alwiększa wytrzymałość i twardość korpusy pomp, armatura, lotnictwo Mg-Zn do 7% Zn większa wytrzymałość i twardość, biodegradowalność lotnictwo, motoryzacja, kardiochirurgia Mg-Mn do 5% Mn większa odporność na korozję zbiorniki paliwa Mg-Li do 20% Li b. mała gęstość lotnictwo, kosmonautyka

74 Stopy Au stop skład właściwości zastosowaniamała wytrzymałość i twardość, duża ścieralność, przewodność elektryczna, odporność na korozję Au 24 karatowe Au 22 karatowe (pierwsza próba) do 8% dodatków: Cu, Ag, Ni, Zn, Pd, Pt większa wytrzymałość i twardość, biżuteria, elektronika, medale, powłoki, stomatologia, Au 18 karatowe (druga próba) do 25% dodatków większa wytrzymałość i twardość, Au 12 karatowe (czwarta próba) do 50% dodatków większa wytrzymałość i twardość,