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 - ceramika – dr inż. P. Bednarek, GTCh p. 315, 26.11 - 17.12 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 Ćwiczenia laboratoryjne 3 x 3h: 7-28.01. Zaliczenie na podstawie kolokwium wstępnego, aktywności i sprawozdania. 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

Egzamin: test – uwzględniana aktywność na wykładach 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 Wiązanie metaliczne metale pierwiastki ceramika tworzywa sztuczne pierwiastki związki nieorganiczne związki organiczne wielkocząsteczkowe

Materiały metale kompozyty polimery ceramika

Proteza stawu biodrowego polimer: HDPE metal: stop tytanu ceramika: 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 objętościowe w tym folie powłoki (cienkie, µm) na różnych podłożach

Alfa Romeo 8c Spider

materiał → właściwości zastosowania otrzymywanie gęstość temperatura topnienia mechaniczne elektryczne magnetyczne korozyjne materiał skład chemiczny: główny składnik, dodatki, zanieczyszczenia, warstwa wierzchnia struktura: fazowa, krystaliczna (wielkość i orientacja krystalitów, defekty)

materiał → właściwości zastosowania gęstość temperatura topnienia mechaniczne elektryczne magnetyczne korozyjne skład chemiczny: główny składnik, dodatki, zanieczyszczenia, warstwa wierzchnia struktura: fazowa, krystaliczna (wielkość i orientacja krystalitów, defekty)

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- 1 µm 1 nm 1 mm d 1/d

Stopy metali Stop = substancja o właściwościach metalicznych (dominuje wiązanie metaliczne) wieloskładnikowa: główny składnik (metal) + składniki stopowe (metale i niemetale) + przypadkowe dodatki (zanieczyszczenia)

Krystalit stop: M1 + M2 metal M1

Właściwości metali: gęstość Gęstość metali zależy od: - promienia atomu (ra), - masy atomowej (M), - gęstości upakowania atomów - ra + Model atomu

gęste upakowanie atomów 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 stopiony metal - ciecz uporządkowany 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 naprężenie: [Pa] odkształcenie: [%] L

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 mały E duży E 2 1 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

doraźna wytrzymałość na rozciąganie Większe naprężenie? F   doraźna wytrzymałość na rozciąganie Rm zerwanie

Właściwości mechaniczne   Sztywność - eksploatacja Plastyczność - obróbka Zerwanie / pęknięcie - awaria Rm Odkształcenie plastyczne Re Odkształcenie sprężyste wydłużenie przed zerwaniem A

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 Niektóre stopy metali   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: 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 stop: M1 + M2 metal M1 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 „czyste” metale po przeciąganiu (umocnione) Cu 17 Au 23 Al 28 stopy

Właściwości materiałów metalicznych wytrzymałość twardość plastyczność przewodność elektryczna / cieplna gęstość temperatura topnienia odporność korozyjna dodatki stopowe wzrost temperatury         ?  ? ? ?

Charakterystyka podstawowych metali barwa gęstość g/cm3 t. topn. C właściwości relacja cen mała odporność na korozję 1 (sw) Fe 7,9 1535 duża przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozję Cu czerwonawa 9,0 1083 5 jasno-srebrzysta duża przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozję Al 2,7 660 3 jasno-srebrzysta b. lekki, biokompatybilny, b. mała odporność na korozję Mg 1,7 650 6 duża odporność na korozję w agresywnych środowiskach srebrzysta Ti 4,5 1670 16 szaro-srebrzysta niska temperatura topnienia, lutowność Sn 7,3 232 10 19 3415 W srebrzysta dużą żarowytrzymałość dobra odporność na korozję, połysk Ag srebrna 10,5 962 240 odporność na korozję, połysk, plastyczność, łatwe ścieranie Au złota 19 1064 19000

Stopy Fe stop skład właściwości zastosowania żelazo technicz. czyste <0,1% zanieczyszczeń plastyczność, ferromagnetyzm automatyka, elektrotechnika stale węglowe <2% C (zwykle < 0,6%) łatwa spawalność, słaba odporność na korozję, lepsza wytrzymałość konstrukcyjne, narzędziowe stale stopowe celowe dodatki inne niż C lepsza wytrzymałość, odporność na korozję, na ścieranie, także sprężystość, biodegradowalność, żarowytrzymałość konstrukcyjne, narzędziowe, o specjalnych właściwościach niskostopowe do 4 % Cu,Ni,Cr,Si wysokostopowe ponad 4 % Cr,Ni,Mo,Al,Si, Mn,V,W, żeliwa 2 - 4 %C wytrzymałość, twardość, kruchość korpusy maszyn, armatura, żeliwa szare + Si, Ni, Al rury, samochody, kolej obróbka cieplna mniejsza kruchość

Stopy Cu stop skład właściwości zastosowania miedź technicz. czysta czerwona <1% zanieczyszczeń b. duża przewodność elektryczna i cieplna, plastyczność elektrotechnika, powłoki na stali, rury mosiądze żółte >2% Zn większa wytrzymałość, odporność na korozję morską części maszyn, armatura, 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% zanieczyszczeń b. duża przewodność elektryczna i cieplna, plastyczność aparatura chem., elektrotechnika, farby, naczynia kuchenne siluminy do 30% Si mały skurcz odlewniczy części silników i maszyn, przemysł okrętowy 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

Stopy Al

Stopy Mg stop skład właściwości zastosowania Mg-Al do 11% Al większa wytrzymałość i twardość korpusy pomp, armatura, lotnictwo Mg-Zn do 7% Zn większa wytrzymałość i twardość, biodegradowalność lotnictwo, motoryzacja, kardiochirurgia 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 właściwości zastosowania mała wytrzymałość i twardość, duża ścieralność, przewodność elektryczna, odporność na korozję Au 24 karatowe Au 22 karatowe (pierwsza próba) do 8% dodatków: Cu, Ag, Ni, Zn, Pd, Pt większa wytrzymałość i twardość, biżuteria, elektronika, medale, powłoki, stomatologia, Au 18 karatowe (druga próba) do 25% dodatków większa wytrzymałość i twardość, Au 12 karatowe (czwarta próba) do 50% dodatków większa wytrzymałość i twardość,