Transcript Document

Materiałoznawstwo i korozja - regulamin przedmiotu
1. Kierownik przedmiotu: dr inż. Andrzej Królikowski
2. Wykład: trzy części po 7 h
- metale – dr inż. A. Królikowski, GCh p. 42,
8 - 29.10
- polimery - dr inż. M. Tryznowski, GTCh p. 250, 29.10 - 19.11
- ceramika – dr inż. P. Bednarek, GTCh p. 315, 26.11 - 17.12
3. 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: 12-14,5 14,5-17 17-19,5 19,5-22
22-24
Ocena
3
3,5
4
4,5
5
4. Ćwiczenia laboratoryjne 3 x 3h: 7-28.01. Zaliczenie na
podstawie kolokwium wstępnego, aktywności i sprawozdania.
5. Ocena końcowa: 0,7 x ocena z wykładu + 0,3 x ocena z
laboratorium.
Materiałoznawstwo i korozja
cz. Metale
Zakres:
- 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
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,
[email protected]
Konsultacje: czwartki 15-17 lub w uzgodnionym terminie
Test umiejętności:
- Właściwości mechaniczne - Określenie na podstawie
stopów metali:
wykresów naprężenie odkształcenie
- Wpływ dodatków
- Określenie właściwości stopów,
stopowych:
dobór stopów do określonych
zastosowań
- Korozja elektrochemiczna: - Określenie przebiegu korozji na
podstawie wykresów E-pH,
dobór materiałów odpornych
- Ochrona przed korozją:
- Dobór metod ochrony na
podstawie wykresów E-pH i
warunków eksploatacji
Materiały
metale
pierwiastki
ceramika związki nieorganiczne
tworzywa związki organiczne
sztuczne wielkocząsteczkowe
Wiązanie
metaliczne
Materiały
metale
kompozyty
ceramika
polimery
Proteza stawu biodrowego
metal: stop tytanu
ceramika: Al2O3
polimer: HDPE
Metale = metale + stopy metali
+ kompozyty na osnowie metalu
Klasyfikacja:
metale żelazne
metale nieżelazne
/ kolorowe
Fe i jego stopy
reszta
Metale w układzie okresowym
Atomy metalu → stan metaliczny
Atomy metalu → stan metaliczny
Materiały metaliczne – budowa
krystaliczna
• Węzły sieci obsadzone przez rdzenie atomów
• Uwspólnione elektrony walencyjne tworzą gaz
elektronowy - ruchliwe
Materiały metaliczne – typowe właściwości
Wiązanie 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
Charakterystyczne właściwości metali
• materiały 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)
Otrzymywanie materiałów metalicznych
• metalurgia:
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
Alfa Romeo 8c Spider
→ właściwości
otrzymywanie
skład chemiczny:
główny składnik,
dodatki,
zanieczyszczenia,
materiał
warstwa
wierzchnia
struktura: fazowa,
krystaliczna (wielkość
i orientacja krystalitów,
defekty)
gęstość
temperatura
topnienia
mechaniczne
elektryczne
magnetyczne
korozyjne
zastosowania
materiał
→ właściwości
skład chemiczny:
główny składnik,
dodatki,
zanieczyszczenia,
warstwa wierzchnia
struktura: fazowa,
krystaliczna (wielkość
i orientacja krystalitów,
defekty)
gęstość
temperatura
topnienia
mechaniczne
elektryczne
magnetyczne
korozyjne
zastosowania
materiał
Właściwości materiałów metalicznych
• zależne od składu chemicznego
• zależne od struktury
Budowa metali
Metale polikrystaliczne: zbiór krystalitów / ziaren
Budowa metali
Metale polikrystaliczne pod mikroskopem
Wielkość krystalitów od mm (struktura grubokrystaliczna)
do nm (struktura nanokrystaliczna)
Wielkość krystalitów a właściwości
mono-
grubo-
drobno-
nano-
amorf-
d
1/d
1 mm
1 µm
1 nm
Stopy metali
Stop =
substancja o właściwościach metalicznych
(dominuje wiązanie metaliczne)
wieloskładnikowa: główny składnik (metal) +
składniki stopowe (metale i niemetale) +
przypadkowe dodatki (zanieczyszczenia)
Krystalit
metal M1
stop: M1 + M2
Właściwości metali: gęstość
ra
+
-
Gęstość metali zależy od:
- promienia atomu (ra),
- masy atomowej (M),
- gęstości upakowania atomów
2
Model atomu
q
FK 2
ra
Budowa metali
gęste upakowanie atomów
Metale lekkie (d ≤ 4,5 g/cm3)
Metale ciężkie (d ≥ 4,5 g/cm3)
Właściwości metali: temperatura topnienia
Topnienie: przejście ze stanu stałego w stan ciekły
materiał krystaliczny
uporządkowany
stopiony metal - ciecz
nieuporządkowany
Topnienie: zerwanie wiązań metalicznych
Metale łatwotopliwe (tt ≤ 700°C)
i trudnotopliwe (tt ≥ 2 000°C)
3420ºC
Właściwości metali: rozszerzalność cieplna
Skutek coraz większych drgań rdzeni atomowych przy wzroście
temperatury
Zależna od energii wiązań między atomami (im większa tym
mniejsza rozszerzalność)
Właściwości metali: rozszerzalność cieplna
Współczynnik rozszerzalności cieplnej a
temperatura topnienia
Właściwości metali: mechaniczne
Naprężenie → odkształcenie
przyczyna → skutek
Naprężenia rozciągające,
ściskające, ścinające: zginające, skręcające…
Właściwości metali: mechaniczne
F
∆L
L
naprężenie:
F

S
L
odkształcenie:  
L
[Pa]
[%]
Właściwości metali: mechaniczne
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)


Sprężystość
Moduł Younga: łatwość odkształceń sprężystych

F
∆L
duży E
1
mały E
2
L

Sprężystość: jaki E?
Sprężystość: jaki E?
Metale o dużej wartości E
Większe naprężenie?

F
przewężenie

Odkształcenie plastyczne

Odkształcenie plastyczne: trwałe,
nieodwracalne
przy naprężeniach powyżej granicy
sprężystości / plastyczności Re
Re
przewężenie
nieodwracalne odkształcenie

Plastyczność: zdolność materiału do ulegania
trwałemu odkształceniu przed zerwaniem
Odkształcenie sprężyste i plastyczne

Odkształcenie plastyczne: trwałe,
nieodwracalne
przy naprężeniach powyżej granicy
sprężystości / plastyczności Re
odwracalne odkształcenie - sprężyste
Re
przewężenie
nieodwracalne odkształcenie - plastyczne

Odkształcenie plastyczne
• Niepożądane w trakcie eksploatacji produktu
(uszkodzenie, awaria)
• Pożądane na etapie wytwarzania (obróbka
plastyczna: kucie, walcowanie, gięcie, …)
Kształtowanie konstrukcji metalowych
odlewanie
tłoczenie
kucie
Obróbka plastyczna
F
Większe naprężenie?

doraźna
wytrzymałość
na rozciąganie
Rm
zerwanie

Właściwości mechaniczne

Sztywność eksploatacja
Plastyczność obróbka
Zerwanie /
pęknięcie - awaria
Rm
Re
A
wydłużenie
przed
zerwaniem

Odkształcenie sprężyste
Odkształcenie plastyczne
Właściwości mechaniczne metali:
- czyste metale: mała wytrzymałość, duża plastyczność
- stopy metali: większa wytrzymałość, mniejsza
plastyczność
Własności mechaniczne: gdzie więcej
dodatków stopowych?

wzrost wytrzymałości (Rm)
spadek plastyczności (Re, A)

Własności mechaniczne: gdzie wyższa
temperatura?

mniejsza wytrzymałość,
a większa plastyczność

Kruchość

Zerwanie / pękanie bez wyraźnych
odkształceń plastycznych
brak plastyczności: A ≈ 0
F
Rm
Re
Niektóre stopy metali

Kruchość
Właściwości mechaniczne: twardość
Właściwości metali: twardość
Odporność na odkształcenie
plastyczne przy nacisku na
małą powierzchnię
Miara: stosunek obciążenia
do odkształcenia (pola
powierzchni)
Proporcjonalna do
wytrzymałości na
rozciąganie
HB = kRm
Skala twardości Mohsa:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
talk
gips
kalcyt
fluoryt
apatyt
ortoklaz
kwarc
topaz
korund
diament
paznokieć
szkło, nóż stalowy
papier ścierny
Właściwości mechaniczne metali:
- czyste metale: mała wytrzymałość i twardość, duża
plastyczność
- stopy metali: większa wytrzymałość i twardość, mniejsza
plastyczność
Właściwości elektryczne
Właściwości metali: rezystywność
Ruch nośników ładunku (swobodnych
elektronów) w polu elektrycznym
Właściwości metali: rezystywność
- czyste metale: duża przewodność: przewody
elektryczne, ścieżki przewodzące w elementach
elektronicznych
- stopy metali: duża rezystywność: elementy oporowe, np.
spirale grzejne
Krystalit
metal M1
Atomy dodatków stopowych
wbudowują się w sieć krystaliczną
metalu utrudniając:
- ruch elektronów w polu elektrycznym
stop: M1 + M2
Rezystywność materiałów metalicznych
 (20°C)
materiał metaliczny
funkcja
wymagania
metal
przewod- mała
Ag
Cu
rezystywność,
niki
Au
duża
Al
wytrzymałość
materiały znaczna
Ni-Cr-Fe
rezysrezystywność, Fe-Cr-Al
tywne
duża
wytrzymałość
uwagi
m x109
16
17
23
28
1100
1500
„czyste” metale
po przeciąganiu
(umocnione)
stopy
Właściwości materiałów metalicznych
właściwość
dodatki
stopowe
wzrost
temperatury
wytrzymałość


twardość


plastyczność


przewodność
elektryczna / cieplna


gęstość
?

temperatura topnienia
?
odporność korozyjna
?
?
Charakterystyka podstawowych metali
metal
barwa
Fe
gęstość t. topn.
g/cm3
C
7,9
1535
9,0
1083
Al
jasnosrebrzysta
2,7
660
Mg
jasnosrebrzysta
1,7
650
Ti
srebrzysta
4,5
1670
Sn
szarosrebrzysta
7,3
232
W
srebrzysta
19
3415
Cu
czerwonawa
Ag
srebrna
Au
złota
10,5
962
19
1064
właściwości
mała odporność na korozję
duża przewodność elektryczna i
cieplna, odporność na korozję
duża przewodność elektryczna i
cieplna, odporność na korozję
b. lekki, biokompatybilny, b.
mała odporność na korozję
duża odporność na korozję w
agresywnych środowiskach
niska temperatura topnienia,
lutowność
relacja
cen
1 (sw)
5
3
6
16
10
dużą żarowytrzymałość
dobra odporność na korozję,
połysk
240
odporność na korozję, połysk,
plastyczność, łatwe ścieranie
19000
Stopy Fe
stop
skład
właściwości
zastosowania
żelazo technicz. <0,1%
czyste
zanieczyszczeń
plastyczność,
ferromagnetyzm
stale węglowe
łatwa spawalność, słaba konstrukcyjne,
odporność na korozję,
narzędziowe
lepsza wytrzymałość
<2% C (zwykle
< 0,6%)
automatyka,
elektrotechnika
celowe dodatki
inne niż C
niskostopowe do 4 %
Cu,Ni,Cr,Si
wysokostopowe ponad 4 %
Cr,Ni,Mo,Al,Si,
Mn,V,W,
lepsza wytrzymałość,
odporność na korozję,
na ścieranie, także
sprężystość,
biodegradowalność,
żarowytrzymałość
konstrukcyjne,
narzędziowe,
o specjalnych
właściwościach
żeliwa
żeliwa szare
wytrzymałość,
twardość, kruchość
korpusy maszyn,
armatura,
rury, samochody,
kolej
stale stopowe
2 - 4 %C
+ Si, Ni, Al
obróbka cieplna mniejsza kruchość
Stopy Cu
stop
skład
właściwości
miedź technicz. <1%
b. duża przewodność
czysta czerwona zanieczyszczeń elektryczna i cieplna,
plastyczność
zastosowania
elektrotechnika,
powłoki na stali,
rury
mosiądze żółte
>2% Zn
większa wytrzymałość, części maszyn,
odporność na korozję armatura,
morską
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
Monety
Cu75Ni25
CuZn20Ni5
CuZnMn
CuNi
Stopy Al
stop
skład
właściwości
zastosowania
aluminium
technicznie
czyste
<1%
b. duża przewodność
zanieczyszczeń elektryczna i cieplna,
plastyczność
siluminy
do 30% Si
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
aparatura chem.,
elektrotechnika,
farby, naczynia
kuchenne
mały skurcz odlewniczy części silników i
maszyn,
przemysł
okrętowy
Stopy Al
Stopy Mg
stop
skład
właściwości
zastosowania
Mg-Al
do 11% Al
większa wytrzymałość korpusy pomp,
i twardość
armatura,
lotnictwo
Mg-Zn
do 7% Zn
większa wytrzymałość lotnictwo,
motoryzacja,
i twardość,
kardiochirurgia
biodegradowalność
Mg-Mn
do 5% Mn
większa odporność na
korozję
zbiorniki paliwa
Mg-Li
do 20% Li
b. mała gęstość
lotnictwo,
kosmonautyka
Stopy Au
stop
skład
Au 24 karatowe
właściwości
mała wytrzymałość i
twardość, duża
ścieralność, przewodność
elektryczna, odporność
na korozję
Au 22 karatowe do 8%
(pierwsza próba) dodatków: Cu,
Ag, Ni, Zn, Pd,
Pt
większa wytrzymałość
i twardość,
Au 18 karatowe do 25%
(druga próba)
dodatków
większa wytrzymałość
i twardość,
Au 12 karatowe do 50%
(czwarta próba) dodatków
większa wytrzymałość
i twardość,
zastosowania
biżuteria,
elektronika,
medale, powłoki,
stomatologia,