Materiałoznawstwo i korozja - regulamin przedmiotu

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, rabbit@ch.pw.edu.pl

Konsultacje: czwartki 15-17 lub w uzgodnionym terminie

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

Materiały

metale

ceramika

tworzywa sztuczne

pierwiastki

związki nieorganiczne

związki organiczne wielkocząsteczkowe

Wiązanie metaliczne

Materiały

metale

ceramika polimery

kompozyty

Proteza stawu biodrowego

metal: stop tytanu polimer: HDPEceramika: Al2O3

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 objętościowew tym folie

powłoki (cienkie, µm) na różnych podłożach

Alfa Romeo 8c Spider

materiał → właściwości

gęstość

temperatura

topnienia

mechaniczne

elektryczne

magnetyczne

korozyjne

skład chemiczny: główny składnik, dodatki, zanieczyszczenia, warstwa wierzchnia

struktura: fazowa, krystaliczna (wielkość i orientacja krystalitów, defekty)

otrz

ymyw

anie

zast

osow

ania

materiał

materiał → właściwości

gęstość

temperatura

topnienia

mechaniczne

elektryczne

magnetyczne

korozyjne

skład chemiczny: główny składnik, dodatki, zanieczyszczenia, warstwa wierzchnia

struktura: fazowa, krystaliczna (wielkość i orientacja krystalitów, defekty)

zast

osow

ania

Właściwości materiałów metalicznych

• zależne od składu chemicznego• zależne od struktury

Budowa metaliMetale polikrystaliczne: zbiór krystalitów / ziaren

Budowa metali

Metale polikrystaliczne pod mikroskopem

Wielkość krystalitów od mm (struktura grubokrystaliczna) do nm (struktura nanokrystaliczna)

Wielkość krystalitów a właściwości

1 µm 1 nm1 mm

d 1/d

mono- grubo- drobno- nano- amorf-

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

Gęstość metali zależy od:

- promienia atomu (ra),- masy atomowej (M),- gęstości upakowania atomów

+ra -

2

2

arq

KF Model atomu

Budowa metaligęste upakowanie atomów

Metale lekkie (d ≤ 4,5 g/cm3)

Metale ciężkie (d ≥ 4,5 g/cm3)

uporządkowany nieuporządkowany

Właściwości metali: temperatura topnienia

Topnienie: przejście ze stanu stałego w stan ciekły

materiał krystaliczny stopiony metal - ciecz

Topnienie: zerwanie wiązań metalicznych

Metale łatwotopliwe (tt ≤ 700°C)

i trudnotopliwe (tt ≥ 2 000°C)

3420ºC

Właściwości metali: rozszerzalność cieplna

Zależna od energii wiązań między atomami (im większa tym mniejsza rozszerzalność)

Skutek coraz większych drgań rdzeni atomowych przy wzroście temperatury

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

L

F

∆L

LLodkształcenie: [%]

naprężenie: [Pa]SF

Właściwości metali: mechaniczne

Sprężystość: zdolność materiału do powracania do pierwotnego kształtu po ustaniu naprężenia

L

Odkształcenie sprężyste: przemijające, tylko podczas działania naprężenia

Odkształcenie sprężyste jest proporcjonalne do naprężenia (prawo Hooke’a):

= E

tg = E – moduł Younga (sprężystości wzdłużnej)

Sprężystość

Moduł Younga: łatwość odkształceń sprężystych

L

F

∆L

1 2

duży E mały E

Sprężystość: jaki E?

Sprężystość: jaki E?

Metale o dużej wartości E

F

Większe naprężenie?

przewężenie

Odkształcenie plastyczne

przewężenie

Odkształcenie plastyczne: trwałe, nieodwracalne

przy naprężeniach powyżej granicy sprężystości / plastyczności Re

Re

nieodwracalne odkształcenie

Plastyczność: zdolność materiału do ulegania trwałemu odkształceniu przed zerwaniem

Odkształcenie sprężyste i plastyczne

przewężenie

Odkształcenie plastyczne: trwałe, nieodwracalne

przy naprężeniach powyżej granicy sprężystości / plastyczności Re

Re

nieodwracalne odkształcenie - plastyczne

odwracalne odkształcenie - sprężyste

• Niepożądane w trakcie eksploatacji produktu (uszkodzenie, awaria)

• Pożądane na etapie wytwarzania (obróbka plastyczna: kucie, walcowanie, gięcie, …)

Odkształcenie plastyczne

Kształtowanie konstrukcji metalowych

odlewanie tłoczenie kucie

Obróbka plastyczna

Większe naprężenie?

F

zerwanie

Rm

doraźna wytrzymałość na rozciąganie

Właściwości mechaniczne

Rm

Re

Odkształcenie sprężyste Odkształcenie plastyczne

Sztywność - eksploatacja

Plastyczność - obróbka

Zerwanie / pęknięcie - awaria

A

wydłużenie przed

zerwaniem

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

F

Rm

Re

Zerwanie / pękanie bez wyraźnych odkształceń plastycznych

brak plastyczności: A ≈ 0

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. talk

2. gips

3. kalcyt

4. fluoryt

5. apatyt

6. ortoklaz

7. kwarc

8. topaz

9. korund

10. 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 M1stop: M1 + M2

Atomy dodatków stopowych wbudowują się w sieć krystaliczną metalu utrudniając: - ruch elektronów w polu elektrycznym

Rezystywność materiałów metalicznych

materiał 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 16 Cu 17 Au 23

„czyste” metale po przeciąganiu (umocnione)

Al 28

stopy

Właściwości materiałów metalicznychwłaściwość

wytrzymałość

twardość

plastyczność

przewodność elektryczna / cieplna

gęstość

temperatura topnienia

odporność korozyjna

dodatki stopowe

?

?

?

wzrost temperatury

?

Charakterystyka podstawowych metalimetal barwa gęstość

g/cm3

t. topn. C

właściwości relacja cen

Fe 15357,9 mała odporność na korozję 1 (sw)

Cu czerwonawa 9,0

2,7

4,5

1,7

Al

Mg

Sn

Ti

W

Ag

Au

srebrzysta

srebrna

złota

srebrzysta

jasno-srebrzysta

jasno-srebrzysta

szaro-srebrzysta 7,3

19

10,5

19

1083

660

1670

650

232

3415

962

1064

5

3

16

6

10

240

19000

duża przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozjęduża przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozję

b. lekki, biokompatybilny, b. mała odporność na korozjęduża odporność na korozję w agresywnych środowiskach

niska temperatura topnienia, lutowność

dużą żarowytrzymałość

odporność na korozję, połysk, plastyczność, łatwe ścieranie

dobra odporność na korozję, połysk

Stopy Festop skład właściwości zastosowania

żelazo technicz. czyste

stale węglowe

stale stopowe

<0,1% zanieczyszczeń

automatyka, elektrotechnika

konstrukcyjne, narzędziowe

<2% C (zwykle < 0,6%)

celowe dodatki inne niż C

2 - 4 %C wytrzymałość, twardość, kruchość

żeliwa korpusy maszyn, armatura,

żeliwa szare + Si, Ni, Al

obróbka cieplna mniejsza kruchośćrury, samochody, kolej

konstrukcyjne, narzędziowe, o specjalnych właściwościach

plastyczność, ferromagnetyzm

łatwa spawalność, słaba odporność na korozję, lepsza wytrzymałość

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

Stopy Cu

stop skład właściwości zastosowania

miedź technicz. czysta czerwona

brązy

<1% zanieczyszczeń

elektrotechnika, powłoki na stali, rury

części maszyn, armatura, przemysł okrętowy

większa wytrzymałość, odporność na korozję morską

mosiądze żółte >2% Zn

>2% Ni odporność na korozję i ścieranie, ferromagnetyzm

monety, wtyki, przełączniki

miedzionikle srebrne

+ Sn, Al, Si, Be odporność na korozję i ścieranie

najstarsze znane stopy; pomniki, armatura, łożyska

b. duża przewodność elektryczna i cieplna, plastyczność

Monety

Cu75Ni25

CuZn20Ni5

CuZnMn

CuNi

Stopy Al

stop skład właściwości zastosowania

aluminium technicznie czyste

Al-Mg

<1% zanieczyszczeń

b. duża przewodność elektryczna i cieplna, plastyczność

aparatura chem., elektrotechnika, farby, naczynia kuchenneczęści silników i maszyn, przemysł okrętowy

mały skurcz odlewniczysiluminy do 30% Si

do 5% Cu mały skurcz odlewniczy, twardość

części maszyn, galanteria stołowa

durale

do 12% Mg mała gęstość lotnictwo

Al-Li do 5% Li b. mała gęstość lotnictwo

Stopy Al

Stopy Mg

stop skład właściwości zastosowania

Mg-Al

Mg-Li

do 11% Al większa wytrzymałość i twardość

korpusy pomp, armatura, lotnictwo

lotnictwo, motoryzacja,kardiochirurgia

większa wytrzymałość i twardość,biodegradowalność

Mg-Zn do 7% Zn

do 5% Mn większa odporność na korozję

zbiorniki paliwa Mg-Mn

do 20% Li b. mała gęstość lotnictwo, kosmonautyka

Stopy Austop skład właściwości zastosowania

Au 24 karatowe

Au 12 karatowe(czwarta próba)

mała wytrzymałość i twardość, duża ścieralność, przewodność elektryczna, odporność na korozję biżuteria,

elektronika,medale, powłoki, stomatologia,

większa wytrzymałość i twardość,

Au 22 karatowe(pierwsza próba)

do 8% dodatków: Cu, Ag, Ni, Zn, Pd, Pt

do 25% dodatków

Au 18 karatowe (druga próba)

do 50% dodatków

większa wytrzymałość i twardość,

większa wytrzymałość i twardość,