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 FK 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,