Upload
gafna
View
70
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Materiałoznawstwo i korozja - regulamin przedmiotu. Kierownik przedmiotu: dr inż. Andrzej Królikowski 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 - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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 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
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,