Materiały

Materiały, chomikuj, Materiałoznawstwo

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1.
Wstęp
1.1.Historyczny rozwój materiałów
Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały dla zdobycia
pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu
życia. Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do przekonania, że o jej rozwoju decyduje
w dużej mierze rozwój materiałów i towarzyszący temu rozwój sił wytwórczych. Świadczy o
tym niewątpliwie między innymi nazwanie różnych okresów w dziejach ludzkości od
materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, np. epoki: kamienia, brązu, żelaza.
Również wdrożenie różnych wynalazków stało się możliwe dopiero po udostępnieniu
odpowiednich materiałów. Przykładowo już w notatkach Leonardo da Vinci z piętnastego wieku
znaleziono szkic helikoptera, lecz śmigłowiec wyprodukowano dopiero w latach czterdziestych
dwudziestego wieku. Statki kosmiczne dawno opisano w literaturze, a niezbędnych obliczeń
dokonano już w pierwszym dziesięcioleciu dwudziestego wieku, gdy pierwszy sztuczny satelita
Ziemi wystartował z sukcesem dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych, a pierwszy prom
kosmiczny w latach siedemdziesiątych tego wieku.
1.2. Materiały konstrukcyjne
Metaloznawstwo jest nauką o budowie, właściwościach i metodach badań metalicznych
materiałów konstrukcyjnych, tzn. używanych do produkcji maszyn, urządzeń i konstrukcji.
Zadaniem tej dziedziny wiedzy technicznej jest określanie wpływu zmiany warunków
zewnętrznych, w tym również wywołanej procesami technologicznymi, na budowę tworzywa
oraz ustalanie zależności pomiędzy składem i budową tworzywa a jego właściwościami.
Zrozumienie tych zależności wymaga znajomości elementarnych mikroprocesów zachodzących
w materiale pod wpływem zmian temperatury, obciążenia i innych czynników zewnętrznych.
Zdefiniowanie pojęcia struktury (budowy) materiału zależy od przyjętej skali obserwacji.
W skali podmikroskopowej (atomowej) rozpatruje się
strukturę krystaliczną
,
tj. przestrzenny
rozkład cząstek materii (atomów, jonów, cząsteczek), typ i symetrię sieci przestrzennej, rozkład
cząstek materii w komórce zasadniczej, jej wymiary wreszcie. Współczesne metody
eksperymentalne w zasadzie nie umożliwiają bezpośredniej obserwacji poszczególnych atomów,
a tylko pewnych ich zgrupowań (np. strefy G P). Jednak pośrednio metodami dyfrakcji
rentgenowskiej lub elektronowej wymienione cechy struktury krystalicznej można określić i
zmierzyć ze znaczną dokładnością.
W skali mikroskopowej rozpatruje się
podstrukturę
,
tj. strukturę rzeczywistą kryształu albo
ziarna. Struktura rzeczywista obejmuje granice, orientację i rozmiary bloków oraz defekty
struktury krystalicznej. Bezpośrednią obserwację podstruktury, zwłaszcza granic
wąskokątowych lub dyslokacji, umożliwia mikroskopia elektronowa z wykorzystaniem techniki
folii.
Wreszcie w skali mikroskopowej albo makroskopowej mówi się odpowiednio o
mikrostrukturze
albo
makrostrukturze
.
Jej opis obejmuje w materiałach jednofazowych kształt, wielkość i
orientację poszczególnych ziarn, a w materiałach wielofazowych ponadto rodzaj, udział i
wzajemne usytuowanie faz składowych. W obu przypadkach opis obejmuje również ewentualne
wady materiałowe: wtrącenia niemetaliczne (kształt i rozkład wydzieleń), pęknięcia, pory itp.
Metody makroskopii oraz mikroskopii świetlnej i elektronowej umożliwiają bezpośrednią
obserwację makrostruktury i mikrostruktury materiału oraz przy wykorzystaniu odpowiednich
wskaźników jej ilościowy opis.
Pełny opis struktury wymaga więc znajomości składu chemicznego materiału (faz
składowych), struktury krystalicznej, podstruktury i mikrostruktury. Warto pamiętać, że
struktura materiału jest stabilna w określonych warunkach zewnętrznych (temperatura,
ciśnienie). Zmiana tych warunków może wywołać w materiale przemianę fazową i w
konsekwencji zmianę struktury, a więc i właściwości. Analogiczny skutek można uzyskać
poddając materiał odpowiednim procesom technologicznym; w tym zakresie szczególnie
efektywne są obróbka plastyczna i obróbka cieplna.
Do cech materiału o szczególnym znaczeniu użytkowym należą właściwości mechaniczne.
2
Rozumie się przez nie zespół cech (granica sprężystości, wytrzymałość, twardość)
określających wytrzymałość oraz (granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie, udarność)
charakteryzujących plastyczność materiału. Spośród nich najczęściej wytrzymałość albo granica
plastyczności są podstawą obliczeń podczas projektowania. Decydując o wymiarach przekroju
elementów, niezbędnych do przenoszenia przewidywanych obciążeń, wespół z ciężarem
właściwym przesądza o gabarycie i ciężarze konstrukcji.
Zespół cech umożliwiających zachowanie, niezmiennych w czasie, właściwości materiału,
jak odporność na korodujące lub mechaniczne (erozja, kawitacja) działanie środowiska oraz
mechaniczne działanie (ścieranie) współpracujących elementów, wreszcie odporność na
działanie podwyższonej temperatury decydują o niezawodności i trwałości konstrukcji.
Przez właściwości technologiczne rozumie się podatność materiału do określonych technik
wytwarzania, jak odlewanie (lejność), spawanie (spawalność), obróbka plastyczna (ciągliwość,
tłoczność), obróbka skrawaniem (skrawalność), obróbka cieplna (hartowność) itp. Właściwości
te, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, decydują o wyborze optymalnej technologii, a w
połączeniu z ceną materiału o koszcie konstrukcji.
Specjalne właściwości fizyczne, np. temperatura topnienia, rozszerzalność cieplna,
przenikalność magnetyczna itp., czy chemiczne, np. odporność na utlenianie w wysokiej
temperaturze, odporność na działanie określonej substancji chemicznej itp., w konkretnych
przypadkach przesądzają wybór materiału, usuwając na dalszy plan właściwości mechaniczne,
technologiczne oraz cenę.
Ogromna liczba współcześnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych stwarza wielorakość
kryteriów klasyfikacyjnych. Jedną z najogólniejszych jest klasyfikacja oparta na charakterze
dominującego wiązania działającego między cząstkami materii. Z tego punktu widzenia
wyróżnia się materiały:
metaliczne o wiązaniu metalicznym,
ceramiczne o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym,
polimeryczne, w których działa wiązanie kowalencyjne (w obrębie makrocząsteczek) i
siły Van der Waalsa (między makrocząsteczkami).
Materiały metaliczne
,
tj. metale techniczne i ich stopy, należą do grupy tworzyw
krystalicznych. Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i
plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz zróżnicowaną odpornością na
korozję. Odznaczają się na ogół dobrymi właściwościami technologicznymi oraz łatwością
nadawania im (stopy metali) bardzo różnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych. Wadą
materiałów metalicznych jest na ogół duży ciężar właściwy. Stanowią one podstawowe
tworzywo na wyroby przemysłu maszynowego oraz na konstrukcje metalowe.
Materiały ceramiczne
należą w zasadzie do tworzyw krystalicznych, jakkolwiek mogą mieć
pewien udział fazy amorficznej. Cechuje je duża twardość i kruchość. Przeważnie są izolatorami
elektrycznymi i cieplnymi, o znacznej odporności na korozję. Wadą ich są złe właściwości
technologiczne, przez co wymagają specjalnych technik przetwarzania. Właściwości
predystynują materiały ceramiczne do specjalnych zastosowań, np. do wyrobu elementów
żaroodpornych, elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych oraz jako specjalne materiały
narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).
Materiały polimeryczne
, tj. tworzywa sztuczne, należą do grupy tworzyw amorficznych.
Odznaczają się stosunkowo dobrymi właściwościami mechanicznymi, są elektroizolatorami oraz
są bardzo odporne na działanie czynników chemicznych. Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a
wadą - mała odporność na działanie temperatur przekraczających 200-300° C (organiczne
związki węgla z wodorem i tlenem). Aktualnie obserwuje się ogromny wzrost zastosowań
tworzyw sztucznych, coraz skuteczniej konkurujących z materiałami metalicznymi w zakresie
elementów maszyn i zdecydowanie wypierających metale i szkło w zakresie opakowań, albo
metale i drewno w zakresie elementów wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego. Jednym z
powodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych jest możliwość wydatnego powiększenia ich
cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np. włóknami metalicznymi lub
ceramicznymi (szkło, węgiel).
JW
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

mement.xlx.pl