Spistres´ci
1.1.Rodzajemateriałów.............................................................................................16
1.2.Struktura..............................................................................................................21
1.3.Własnościmateriałów.........................................................................................23
1.4.Procesywytwarzania...........................................................................................25
1.5.Oddziaływaniemiędzystrukturą,własnościamiiprocesemwytwarzania.......27
2.1.Strukturaatomu...................................................................................................30
2.2.Wiązaniajonowe.................................................................................................39
2.3.Wiązaniakowalencyjne......................................................................................42
2.4.Wiązaniametaliczne...........................................................................................45
2.5.Wiązaniawtórne(vanderWaalsa)....................................................................46
2.6.Energiawiązańmiędzyatomami.......................................................................47
2.7.Wiązaniawposzczególnychkategoriachmateriałów.......................................48
3.1.Siedemukładówkrystalograficznychiczternaścietypówsieci.......................53 3.2.Położeniasieciowe..............................................................................................57
3.3.Kierunkisieciowe................................................................................................58
3.4.Płaszczyznysieciowe..........................................................................................59
3.5.Oznaczaniestrukturkrystalicznych....................................................................62
3.6.Strukturakrystalicznametali..............................................................................63
3.7.Strukturyonajgęstszymułożeniuatomów........................................................66
3.8.Strukturykrystaliczneceramik...........................................................................70
3.9.Szkłakrzemianowe.............................................................................................82 Podsumowanie................................................................................................................83
Własnos´cimechaniczne ..................................................................................
4.1.Naprężenieiodkształcenie.................................................................................89
4.2.Modułysprężystości............................................................................................93
4.3.Odkształceniesprężyste......................................................................................96
4.4.Statycznapróbarozciągania...............................................................................98
4.5.Twardość.............................................................................................................106
4.6.Odpornośćnapękanie.........................................................................................108
4.6.1.Mechanikapękania.................................................................................108
4.6.2.Strefaodkształceniaplastycznegowokółwierzchołka pęknięcia...............................................................................................111
4.6.3.Zakresywartości KIc .............................................................................112
4.6.4.Zależnośćmiędzywytrzymałościąiodpornościąnapękanie..............113
4.6.5.Zastosowanie KIc ...................................................................................115
4.6.6.Pękanieciągliwe....................................................................................115
4.6.7.Różnicemiędzypękaniemciągliwymikruchym................................117
4.7.Udarność..............................................................................................................117
4.7.1.Próbaudarności.....................................................................................117
4.7.2.Udarnośćmetali....................................................................................119
4.8.Zmęczenie............................................................................................................121
4.8.1.Krzywa S–N ...........................................................................................122
4.8.2.Rodzajezniszczeńzmęczeniowych......................................................123
4.8.3.Mechanikapękaniazmęczeniowego....................................................124
4.8.4.Rozwójpęknięćzmęczeniowych..........................................................127
4.8.5.Zwiększeniewytrzymałościzmęczeniowej..........................................129 Podsumowanie................................................................................................................129
5 Defektystrukturykrystalicznej 133
5.1.Roztworystałe.Niedoskonałościchemiczne.....................................................133
5.2.Defektypunktowe...............................................................................................137
5.2.1.Stężeniedefektówpunktowych............................................................139
5.2.2.Dyfuzja..................................................................................................142
5.3.Dyslokacje–defektyliniowe.............................................................................153
5.3.1.Teoretycznawytrzymałośćnanaprężeniastyczne..............................153
5.3.2.Dyslokacje.............................................................................................154
5.3.3.Odkształcenieplastyczne......................................................................157
5.3.4.Niektórewłasnościdyslokacji..............................................................160
5.3.5.Zależność odsiłyrozciągającej.........................................................163
5.4.Defektypowierzchniowe–graniceziarn...........................................................165
5.5.Granicemiędzyfazowe........................................................................................174
5.6.Umocnienie..........................................................................................................175
5.7.Pełzanie................................................................................................................185
5.7.1.Mechanizmypełzania...........................................................................187
5.7.2.Wytrzymałośćnapełzanie....................................................................190
5.7.3.Materiałydozastosowańwysokotemperaturowych............................191
Podsumowanie................................................................................................................192
Wykresyfazowe 198
6.1.Regułafaz............................................................................................................198
6.2.Ogólneuwagiowykresachfazowych................................................................199
6.3.Dwuskładnikowewykresyfazowe.....................................................................202
6.4.Wykresfazowydlaskładnikówonieograniczonejrozpuszczalności wstaniestałym....................................................................................................202
6.5.Reguładźwigni....................................................................................................205
6.6.Tworzeniemikrostrukturywstopachukładuonieograniczonej rozpuszczalnościskładnikówwstaniestałym...................................................207
6.7.Wykresfazowydlaskładnikównierozpuszczającychsięwzajemnie wstaniestałym....................................................................................................208
6.8.Wykresfazowyzprzemianąeutektyczną,gdyskładnikirozpuszczająsię wstaniestałym....................................................................................................211
6.9.Wykresfazowyzprzemianąperytektyczną.......................................................215
6.10.Wykresfazowyzprzemianąeutektoidalną.......................................................216
6.11.Złożonewykresyfazowe....................................................................................217
6.12.SkładnikimikrostrukturalnewukładzieFe–Fe3C.............................................219
6.13.WykresfazowyFe–C..........................................................................................225 Podsumowanie................................................................................................................228 Zadania...........................................................................................................................229
7.1.Siłypędnezmianstrukturalnych........................................................................236
7.1.1.Siłapędnakrystalizacji.........................................................................237
7.1.2.Zmianystrukturywstaniestałym........................................................240
7.2.Zarodkowanieaktywowanecieplnie(dyfuzyjne)..............................................240
7.2.1.Zarodkowaniejednorodne.....................................................................241
7.2.2.Zarodkowanieniejednorodne................................................................243
7.2.3.Kinetykazarodkowania.........................................................................243
7.3.Szybkośćprzemianydyfuzyjnej.........................................................................244
7.4.Krystalizacja........................................................................................................246
7.4.1.Krystalizacjarównowagowa.................................................................246
7.4.2.Krystalizacjanierównowagowa............................................................248
7.4.3.Wzrostkryształówpodczaskrzepnięcia...............................................248
7.4.4.Segregacja..............................................................................................252
7.4.5.Strukturaodlewu...................................................................................252
7.5.Wykresy CTP ....................................................................................................254
7.5.1.Przemianydyfuzyjne...........................................................................256
7.5.2.Przemianabainityczna........................................................................258
7.5.3.Przemianamartenzytyczna.................................................................259
7.6.Obróbkacieplnastali........................................................................................266
7.6.1.Hartowanie..........................................................................................267
7.6.2.Odpuszczanie.......................................................................................269
7.6.3.Kruchośćodpuszczania.......................................................................272
7.6.4.Hartowność..........................................................................................274
7.6.5.Wyżarzanie..........................................................................................276
7.6.6.Obróbkapowierzchniowa...................................................................277
7.7.Umocnieniewydzieleniowe(umocnienieprzezstarzenie)..............................278
7.8.Strukturamateriałuodkształconego,zdrowienieirekrystalizacja..................284
7.8.1.Strukturamateriałuodkształconego...................................................285
7.8.2.Zdrowienie...........................................................................................286
7.8.3.Rekrystalizacja....................................................................................288
7.9.Kształtziarn......................................................................................................293
7.10.Rozrostziarn.....................................................................................................293
7.10.1.Kinetykarozrostuziarn.......................................................................296
7.10.2.Rozrostziarnwobecnościcząstek.....................................................297
8.1.Stale...................................................................................................................306
8.1.1.Składnikizwykłe.................................................................................307
8.1.2.Zanieczyszczenia.................................................................................307
8.1.3.Pierwiastkistopowewstali................................................................309
8.1.4.Wpływpierwiastkówstopowychnawłasnościstali..........................311
8.1.5.Podziałstali.........................................................................................312
8.1.6.OznaczaniestaliwgPN-EN10027-1:2007.......................................312
8.1.7.Węgielwstali.....................................................................................315
8.1.8.Stalekonstrukcyjne.............................................................................316
8.1.9.Stalenarzędziowe................................................................................321
8.1.10.Staleodpornenakorozję....................................................................324
8.2.Żeliwa................................................................................................................328
8.3.Stopymetalinieżelaznych................................................................................331
8.3.1.StopyAl...............................................................................................332
8.3.2.StopyCu..............................................................................................335
8.3.3.StopyNiiCo......................................................................................339
8.3.4.StopyTi...............................................................................................341
Podsumowanie................................................................................................................344
Zadania...........................................................................................................................345
9 Ceramikiiszkła 348
9.1.Wyrobyzgliny(ceramikatradycyjna)............................................................349
9.2.Nowoczesne(zaawansowane)ceramiki...........................................................352
9.3.Materiałyogniotrwałe.......................................................................................354
9.4.Ceramikiścierne................................................................................................357
9.5.Szkła–ceramikiniekrystaliczne......................................................................357
9.6.Tworzywaszklano-ceramiczne.........................................................................361
9.7.Własnościceramikiszkieł...............................................................................363
9.7.1.Wytrzymałośćceramik.......................................................................365
9.7.2.Odpornośćceramiknapękanie..........................................................366
9.7.3.Wpływczasunawytrzymałośćceramik............................................368
9.7.4.Pełzanie................................................................................................369
Podsumowanie................................................................................................................370
Zadania...........................................................................................................................371
10 Polimery 374
10.1.Polimeryzacja....................................................................................................375
10.2.Strukturapolimerów..........................................................................................380
10.3.Polimerytermoplastyczne(termoplasty)..........................................................387
10.4.Polimerytermoutwardzalne(duroplasty).........................................................388
10.5.Elastomery(gumy)............................................................................................389
10.6.Dodatki..............................................................................................................392
10.7.Zachowaniepolimerówpodwpływemobciążenia..........................................393
10.8.Własnościpolimerów........................................................................................396 Podsumowanie................................................................................................................400
Zadania...........................................................................................................................401
11
Kompozyty
12
403
11.1.Kompozytywłókniste.......................................................................................404
11.2.Drewno–naturalnykompozytwłóknisty........................................................411
11.3.Kompozytyagregatowe....................................................................................415
11.3.1.Beton..................................................................................................415
11.3.2.Cermetale...........................................................................................418
11.4.Parametrywpływającenawłasnościmechanicznekompozytu......................420
11.5.Wytrzymałośćnarozciąganie...........................................................................423
11.6.Porównaniewłasnościmechanicznychkompozytówistopówmetali............425
Podsumowanie................................................................................................................426 Zadania...........................................................................................................................427
Kształtowaniewyrobów 431
12.1.Wytwarzaniewyrobówmetalowych................................................................433
12.1.1.Odlewanie..........................................................................................435
12.1.2.Kształtowanieodkształceniowe........................................................438
12.1.3.Metalurgiaproszków.........................................................................443
12.1.4.Obróbkaskrawaniem........................................................................445
12.1.5.Procesyłączenia................................................................................446
12.1.6.Inżynieriapowierzchni......................................................................446
12.2.Kształtowanieceramik......................................................................................447
12.2.1.Kształtowanieprzezprasowanieispiekanie....................................448
12.2.2.Odlewaniezgęstwy..........................................................................448
12.2.3.Spiekaniereaktywne.........................................................................449
12.3.Kształtowanieszkła...........................................................................................449
12.4.Kształtowaniepolimerów..................................................................................451
12.4.1.Kształtowanieprzezwtrysk..............................................................452
12.4.2.Kształtowanieprzezwytłaczanie(wyciskanie)................................452
12.4.3.Kształtowanieprzezrozdmuchiwanie..............................................453
12.4.4.Kształtowanieprzezprasowanie.......................................................454
12.4.5.Kształtowanieprzezodlewanie........................................................455
12.5.Wytwarzaniewyrobówkompozytowych.........................................................455
12.5.1.Wytwarzaniewłókien........................................................................456
12.5.2.Układaniewłókien............................................................................457
12.5.3.Kształtowaniewyrobów....................................................................458
12.5.4.Odlewaniekompozytuagregatowegooosnowiemetalowej...........459
13.1.Przewodnictwoelektryczne..............................................................................462
13.2.Strukturapasmowa............................................................................................466
13.3.Ruchliwośćelektronów.....................................................................................469
13.3.1.Opórelektrycznymetali...................................................................469
13.3.2.Przewodnośćinnychmateriałów......................................................473
13.4.Przewodyelektryczne.......................................................................................474
13.5.Półprzewodnikisamoistne................................................................................474
13.5.1.Dziuryelektronowe...........................................................................475
13.5.2.Przewodnictwopierwiastkowychpółprzewodnikówsamoistnych....477
13.6.Półprzewodnikidomieszkowe..........................................................................480
13.6.1.Półprzewodnikdomieszkowytypu n ................................................481
13.6.2.Półprzewodnikdomieszkowytypu p ................................................484
13.7.Urządzeniapółprzewodnikowe.........................................................................486
13.7.1.Złącze p-n ..........................................................................................487
13.7.2.Tranzystor..........................................................................................490
13.7.3.Obwodyscalone................................................................................491
13.7.4.Wytwarzanieobwodówscalonych...................................................492
13.8.Dipoleipolaryzacja..........................................................................................494
13.9.Własnościdielektryczne...................................................................................496
13.10.Materiałypiezoelektryczne...............................................................................497
13.11.Materiałyferroelektryczne................................................................................498
Podsumowanie................................................................................................................499 Zadania...........................................................................................................................501
14 Własnos´cimagnetycznemateriałów ........................................................ 504
14.1.Pochodzeniemomentówmagnetycznych.........................................................504
14.2.Wielkościmagnetyczne....................................................................................508
14.3.Zachowaniemagnetycznemateriałów..............................................................510
14.3.1.Diamagnetyzm...................................................................................510
14.3.2.Paramagnetyzm.................................................................................511
14.3.3.Ferromagnetyzm................................................................................512
14.3.4.Antyferromagnetyzm.........................................................................513
14.3.5.Ferrimagnetyzm.................................................................................514
14.4.Wpływtemperaturynazachowaniemagnetyczne...........................................515
14.5.Strukturadomenowa.........................................................................................516
14.6.Pętlahisterezy...................................................................................................518
14.7.Magnetostrykcja................................................................................................521
14.8.Materiałymagnetyczne.....................................................................................521
14.8.1.Stratyenergii.....................................................................................523
14.8.2.Materiałymagnetycznemiękkie.......................................................524
14.8.3.Materiałymagnetycznetwarde.........................................................529 Podsumowanie................................................................................................................530 Zadania...........................................................................................................................531
15
Własnos´cioptycznemateriałów
533
15.1.Stałeoptyczne...................................................................................................535
15.2.Absorpcjaświatła..............................................................................................540
15.3.Selektywnaabsorpcja,transmisjaiodbicie.....................................................542
15.4.Zastosowaniepromieniowaniaelektromagnetycznego....................................543
15.5.Włóknaoptyczne...............................................................................................554
16
Własnos´cicieplnemateriałów
557
16.1.Podstawy............................................................................................................558
16.2.Ciepłowłaściwe................................................................................................559
16.3.Przewodnictwocieplne.....................................................................................561
16.4.Rozszerzalnośćcieplna.....................................................................................565
16.5.Naprężeniacieplne............................................................................................569
16.6.Zakresytemperaturystosowaniamateriałów...................................................572
Podsumowanie................................................................................................................573
Zadania...........................................................................................................................574
17.1.Korozjachemiczna............................................................................................576
17.1.1.Mechanizmwzrostuwarstwytlenku................................................577 17.1.2.Szybkośćutleniania...........................................................................578
17.1.3.Warstwyochronne–tlenkiochronne..............................................580
17.2.Korozjaelektrochemiczna.................................................................................582
17.2.1.Elementyogniwaelektrochemicznego.............................................583
17.2.2.Reakcjenaanodzie...........................................................................584
17.2.3.Reakcjenakatodzie..........................................................................584
17.2.4.Siłapędnakorozjielektrochemicznej..............................................587
17.2.5.Szereggalwaniczny...........................................................................588
17.2.6.Pasywnośćmetali..............................................................................588
17.2.7.Polaryzacja........................................................................................589
17.3.Rodzajekorozjielektrochemicznej(ogniwakorozyjne).................................589
17.3.1.Korozyjneogniwogalwaniczne........................................................590
17.3.2.Korozjamiędzykrystaliczna..............................................................591
17.3.3.Korozyjneogniwostężeniowe..........................................................592
17.3.4.Korozjawżerowa(pittingowa).........................................................593
17.3.5.Korozjaszczelinowa.........................................................................594
17.3.6.Korozyjneogniwonaprężeniowe.....................................................595
17.3.7.Korozjanaprężeniowa.......................................................................596
17.3.8.Korozjo-erozja...................................................................................596
17.4.Metodyzapobieganiakorozjielektrochemicznej.............................................597
17.4.1.Projektowanie....................................................................................597
17.4.2.Dobórmateriałuiobróbki................................................................599
17.4.3.Powłokiochronne..............................................................................601
17.4.4.Inhibitory...........................................................................................604
17.4.5.Ochronakatodowa............................................................................604
17.4.6.Pasywacjalubochronaanodowa......................................................605
18 Charakterystykamateriałów
18.1.Określanieskładuchemicznego–spektroskopiaelektronówpowłok wewnętrznychatomów......................................................................................611
18.1.1.Spektroskopiaenergiirozpraszanejpromieniowania....................... rentgenowskiegowmikroskopachelektronowych..........................615
18.1.2.Fluorescencyjnaanalizarentgenowska.............................................617
18.1.3.Spektroskopiastratenergiielektronów............................................617
18.2.Metodydyfrakcyjne..........................................................................................617
18.2.1.Dyfrakcja...........................................................................................618
18.2.2.Dyfrakcjapromienirentgenowskich.................................................619
18.2.3.Dyfrakcjaelektronowa......................................................................622
18.3.Mikroskopia.......................................................................................................622
18.3.1.Mikroskopiaświetlna........................................................................624
18.3.2.Mikroskopiaelektronowaskaningowa.............................................625
18.3.3.Mikroskopiaelektronowatransmisyjna............................................628
18.3.4.Mikroskopelektronowyskaningowo-transmisyjny..........................632
18.3.5.Mikroskopjonowy............................................................................633
18.3.6.Mikroskopyzeskanującąsondą.......................................................633 Podsumowanie................................................................................................................637