zakres1-40, STUDIA MBM na PWR, III semestr, Wytrzymałość 1 Śródka, Morzuch
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->1.Rodzaje materiałów i charakterystyka ich właściwości.Klasyfikacja materiałów (ciał stałych) oparta na sposobie ułożenia atomów:•Struktura krystaliczna(np. metale) – wykazują uporządkowanie dalekiego zasięgu(atomy lub cząsteczki ułożone są względem siebie w sposób regularny zachowującwewnętrzną symetrię względem punktu, prostej i płaszczyzny); każdy atom ma jednakowąliczbę najbliższych i równoodległych sąsiadów; atomy są ułożone w okresowopowtarzających się odstępach w trzech kierunkach. Charakteryzują się bardzo dobrymiwłaściwościami wytrzymałościowymi i plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną icieplną oraz zróżnicowaną odpornością na korozję. Ponadto wykazują rozszerzalnośćtemperaturową, są nieprzezroczyste, połyskliwe. Odznaczają się na ogół dobrymiwłaściwościami technologicznymi oraz łatwością nadawania im (stopy metali) bardzoróżnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych. Wadą materiałów metalicznych jest naogół duży ciężar właściwy. Stanowią one podstawowe tworzywo na wyroby przemysłumaszynowego oraz na konstrukcje metalowe.•Struktura krystaliczno-amorficzna(np. materiały ceramiczne) – obszarykrystaliczne, wykazujące uporządkowanie dalekiego zasięgu, rozdzielone są obszaramiamorficznymi; stopień krystaliczności może dochodzić do 90%. Cechuje je duża twardość ikruchość. Przeważnie są izolatorami elektrycznymi i cieplnymi, o znacznej odporności nakorozję. Wadą ich są złe właściwości technologiczne, przez co wymagają specjalnych technikprzetwarzania. Właściwości predystynują materiały ceramiczne do specjalnych zastosowań,np. do wyrobu elementówżaroodpornych,elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych oraz jakospecjalne materiały narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających,środki ściernei polerskie).•Struktura amorficzna(np. polimery) – wykazują uporządkowanie bliskiego zasięgu(atomy lub cząsteczki są rozmieszczone w sposób chaotyczny). Odznaczają się stosunkowodobrymi właściwościami mechanicznymi, są elektroizolatorami oraz są bardzo odporne nadziałanie czynników chemicznych. Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a wadą - małaodporność na działanie temperatur przekraczających 200-300° C (organiczne związki węgla zwodorem i tlenem). Aktualnie obserwuje się ogromny wzrost zastosowań tworzywsztucznych, coraz skuteczniej konkurujących z materiałami metalicznymi w zakresieelementów maszyn i zdecydowanie wypierających metale i szkło w zakresie opakowań, albometale i drewno w zakresie elementów wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego. Jednym zpowodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych jest możliwość wydatnego powiększeniaich cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np. włóknami metalicznymi lubceramicznymi (szkło, węgiel).3. Podstawowe grupy materiałów inżynierskich i rodzaje występujących wiązańmiędzyatomowych.Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiającychich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:- materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznej zastosowania,- materiały inżynierskie, nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowaniazłożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrze technicznych powykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.Przykładami materiałów naturalnych są: drewno, niektóre kamienie, skały i minerały.Do podstawowych grup materiałów inżynierskich są zaliczane:- metale i ich stopy,- polimery,- materiały ceramiczne,- kompozytyRodzaje wiązań międzyatomowych:•wiązanie jonowe- powstaje, gdy reagują ze sobą pierwiastki znacznie różniące sięelektroujemnością. Jest typowe dla kryształów jonowych, które z reguły są przeźroczyste, aich przewodnictwo elektryczne jest bardzo małe. Cechuje je dość duża wytrzymałośćmechaniczna i twardość oraz wysoka temperatura topnienia, a także mają one tendencję dołupliwości wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych, coświadczyo kierunkowymcharakterze wiązania. Wiązanie jonowe jest spowodowane dążeniem różnych atomów dotworzenia trwałych 8- elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych przez uwspólnienieelektronów. Tak na przykład w przypadku tworzenia cząsteczki NaCl atom sodu, mający nazewnętrznej orbicie l elektron, oddaje go atomowi chloru, stając się jonem dodatnim, a atomchloru, mający na ostatniej orbicie 7 elektronów, po dołączeniu dodatkowego elektronu stajesię jonem ujemnym. Możemy to zapisać symbolicznie Na + Cl⇒Na+ + C1- Wiązanie tooparte jest na przyciąganiu kulombowskim, jakie powstaje między dwoma przeciwnymiładunkami. Utworzona cząsteczka związku NaCl jest elektrycznie obojętna, ale mazaznaczone bieguny elektryczne (czyli jest dipolem), co umożliwia jej łączenie się z innymicząsteczkami i tworzenie kryształu.•wiązanie atomowe (kowalencyjne, homopolarne)- tworzy się między atomami ośredniejróżnicy elektroujemności (niemetalami). Występuje w cząsteczkach gazówdwuatomowych (H2, Cl2, O2, N2), niektórych pierwiastkach stałych (C - diament, Ge, Si, Sn-α)i związkach (SiC), a także w polimerach. Jest to wiązanie silne i kierunkowe. Energiawiązania w diamencie wynosi 710 kJ/mol, a w SiC 1,18 MJ/mol. Wiązanie tworzy sięzgodnie z teorią Levisa-Kossela, na skutek dążenia atomów do tworzenia trwałych 2- lub 8-elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych, dzięki powstawaniu par wiążących, którychliczba zależy od grupy układu okresowego N (reguła 8-N). Elektrony przechodzą od jednegodo drugiego atomu, zamieniając je w jony dodatnie, które są przyciągane przez elektronyznajdujące się między nimi. Wiązanie to można przedstawić schematycznie następująco H. +. H = H : H : Cl . + . C1: = Cl : Cl. W przypadku gdy łączą się różne atomy za pomocą parelektronowych mamy do czynienia z wiązaniem atomowym spolaryzowanym. Kowalencyjneniespolaryzowane – występuje między atomami o identycznej elektroujemności(każdy z nich tak samo oddziałuje na wspólne elektrony) Na skutek różnego oddziaływaniaelektronów z rdzeniami atomów powstają dipole i wiązanie ma wtedy charakter pośrednimiędzy atomowym i jonowym. Nie jest to jednak regułą. W niektórych przypadkach (np. wmetanie CH4) symetryczny rozkład wiązań powoduje,żewypadkowy moment dipolowy jestrówny zeru. Istnieją związki (np. NH4), w których obydwa elektrony tworzące parę pochodząod tego samego atomu. W tym przypadku atom azotu może za pomocą wolnej paryelektronowej przyłączyć dodatkowy jon H+. Takie wiązanie nazywa się koordynacyjnym.•wiązanie metaliczne- powstaje, gdy reagują ze sobą pierwiastki nieznacznie różniącesię elektroujemnością i oba są metalami. występuje między atomami metali wskondensowanych stanach skupienia. Istota tego wiązania wynika z teorii swobodnegoelektronu. Dzięki niskiemu potencjałowi jonizacyjnemu elektronów, po zbliżeniu się atomówdo siebie, następuje oderwanie się elektronów wartościowości od rdzeni atomowych iutworzenie gazu elektronowego, w którym zachowują się jako cząstki swobodne. Poruszająsię one między jonami i wiążą je na zasadzie elektrostatycznego przyciągania. Wiązaniemetaliczne należy do wiązań silnych (energia wiązania jest pośrednia miedzy jonowym aatomowym) i jest bezkierunkowe. Poza tym typowymi własnościami metali są: dobreprzewodnictwo elektryczne i cieplne, ciągliwość i metaliczny połysk. Z własnościami gazuelektronowego jest także związane charakterystyczne dla metali zwiększenie oporności zewzrostem temperatury. Dotychczas brak jest uniwersalnej teorii wyjaśniającej związekmiędzy budową elektronową a strukturą oraz własnościami określonych metali. Wielubadaczy przyjmuje,żewiązanie metaliczne jest podobne do wiązania kowalentnego (Ormont,Pauling). Na przykład w sodzie atomy po zbliżeniu mogą utworzyć wiązanie za pomocą paryelektronów 3s o różnych spinach. Następne elektrony mogą przejść na poziom3p,gdyż naskutek hybrydyzacji ich energie są zbliżone. Muszą one jednak ulegać ciągłej wymianie zsąsiednimi atomami. Można więc powiedzieć,żeistota wiązania jest atomowa, chociaż jestutrzymana, zakładana w teorii swobodnych elektronów, możliwość ich ruchu od atomu doatomu. Stąd wiązanie metaliczne bywa traktowane jako nienasycone wiązanie atomowe (zniedoborem elektronów), w którym duża liczba atomów jest połączona przez uwspólnienieelektronów wartościowości. Są także znane inne teorie; np. Wignera i Seitza, umożliwiającawyliczenie wartości energii wiązań w metalach alkalicznych, nie sprawdza się jednak ona wprzypadku innych metali).•wiązanie van der Waalsa-jestbardzo słabe (energia wiązań wynosi 100 - 1500J/mol) i bezkierunkowe.Siły van der Waalsadziałają w skroplonych gazach szlachetnych imiędzy łańcuchami polimerów. Przyczyną powstawania tych sił jest nierównomierny rozkładładunków w chmurach elektronowych. Pewna polaryzacja jest w tym przypadku wynikiemwzajemnego oddziaływania atomów. Chwilowe dipole indukują dipole w sąsiednich atomach.Wiązania van der Waalsa występują wraz z innymi w kryształach molekularnych, któreskładają się z cząsteczek o wiązaniach kowalentnych zespolonych ze sobą siłami van derWaalsa. Przykładem mogą być zestalone gazy (H, F, Cl, N) oraz kryształy jodu, siarki, selenui telluru.4. Rodzaje tworzyw sztucznych i ich podstawowe własnościTworzywa sztuczne– materiały składające się z polimerów syntetycznych (wytworzonychsztucznie przez człowieka i niewystępujących w naturze) lub zmodyfikowanych polimerównaturalnych oraz dodatków modyfikujących. Najściślejszym terminem obejmującymwszystkie materiały zawierające jako główny składnik polimer, bez rozróżniania, czy jest onpochodzenia sztucznego czy naturalnego, jest określenie „tworzywa polimerowe”.Zalety tworzyw sztucznych:- mała gęstość- odporność na korozje- łatwość przetwórstwa- korzystna wytrzymałość właściwaWady:- mała odporność na wysokie temperatury- słabe właściwości mechaniczne- powolny rozkładPodział polimerów ze względu na pochodzenie głównego składnika:- tworzywa sztuczne pochodzenia naturalnego np.:galalit, celuoid- syntetyczne tworzywa sztuczne – w których podstawowy składnik jest substancją otrzymanąna drodze syntezy organicznejSyntetyczne tworzywa sztuczne można podzielić na trzy grupy:a) Polimery termoplastyczne- miękną pod wpływem podwyższonej temperatury. Dzieje siętak dlatego,żełańcuchy polimerowe mogą poruszać się względem siebie, a efekt ten staje sięcoraz wyraźniejszy wraz ze wzrostem temperatury. Przykładem może być polistyren lubpolichlorek winylu (PVC).b) duroplasty- Polimery termoutwardzalne – występują tu wiązania porzeczne pomiędzy poszczególnymiłańcuchami polimerowymi, uniemożliwiając ich przesuwanie się względem siebie. Dlategotakie materiały, po uformowaniu określonego kształtu, stają się nietopliwe i nierozpuszczalne,nieplastyczne w wyższych temperaturach. Do tego typu polimerów zaliczyć można bakelit iżywiceepoksydowe.- polimery chemoutwardzalne, które pod wpływem określonych czynników chemicznychusieciowują się przestrzennie, przy czym stają się nietopliwe i nierozpuszczalne.c) Elastomery– tworzywa o dobrych właściwościach sprężystych. W skład tej grupywchodzą wszystkie związki gumo podobne, w tym guma. Podczas ich produkcji powstajeściśleokreślona ilość wiązań poprzecznych pomiędzy łańcuchami molekuł. W rezultaciepowstają materiały elastyczne, które można mocno rozciągać, używając stosunkowoniewielkich sił i które powracają do pierwotnego kształtu po ustąpieniu siły rozciągającej.5. Typowe procesy formowania tworzyw sztucznych:•WtryskiwanieWtryskiwanie to proces cykliczny, w którym materiał wyjściowy w postaci granuleklub krajanki, podany z pojemnika do ogrzewanego cylindra, uplastycznia się i [ Pobierz całość w formacie PDF ]