Konstrukcyjne materiały metalowe, ceramiczne i kompozytowe Kraków

Skrypt jest podzielony na cztery części. W pierwszej omówiono podstawowe właściwości materiałów, a w szczególności wiązania między atomami. W dalszej części podano podstawowe własności mechaniczne i użytkowe materiałów oraz sposoby umacniania materiałów plastycznych. Przedstawiono grupę materiałów sprężysto-plastycznych, a więc metale i ich stopy, w tym stopy żelaza i metali nieżelaznych. Kolejna część dotyczy materiałów ceramicznych, w tym struktury, jej kształtowania i właściwości użytkowych. W ostatniej części omówiono kompozyty o osnowie metalowej i ceramicznej, które nie są jeszcze tak powszechnie stosowane jak kompozyty o osnowie polimerowej.Autorzy uznali za uzasadnione wprowadzenie do drugiego wydania przynajmniej podstawowych informacji na temat metalurgii topienia najbardziej rozpowszechnionych tworzyw metalowych, jakimi są stopy żelaza z węglem, zakładając, że gruntowną wiedzę na temat procesów metalurgicznych dotyczących odlewnictwa, obróbki plastycznej oraz spawania studenci uzyskują w ramach wykładów dotyczących technik wytwarzania. Dokonano także korekty i uaktualnienia treści, a także uwzględniono uwagi zgłaszane przez studentów i wykładowców. Spis treści: Przedmowa 7 MATERIAŁY INŻYNIERSKIE WPROWADZENIE RODZAJE MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH 9 WIĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI 11 1.1. WIĄZANIA PIERWOTNE 12 1.2. WIĄZANIA WTÓRNE 13 SPOSOBY ROZMIESZCZENIA ATOMÓW W CIAŁACH STAŁYCH 14 2.1. STRUKTURA MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH 14 2.2. STRUKTURA NIEKRYSTALICZNA 15 2.3. STRUKTURA KRYSTALICZNA ELEMENTY KRYSTALOGRAFII 15 2.3.1. Płaszczyzny krystalograficzne 17 2.3.2. Kierunki krystalograficzne 18 2.4. DEFEKTY STRUKTURY KRYSTALICZNEJ 19 2.4.1. Defekty punktowe 19 2.4.2. Defekty liniowe 20 2.4.3. Defekty płaskie powierzchniowe 24 2.4.4. Defekty objętościowe 26 CHAKTERYSTYKA PODSTAWOWYCH WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW 27 3.1. GĘSTOŚĆ 27 3.2. SZTYWNOŚĆ SPRĘŻYSTOŚĆ 27 3.3. WYTRZYMAŁOŚĆ 30 3.3.1. Wytrzymałość statyczna 30 3.3.2. Twardość 32 3.3.3. Odporność na pękanie - wiązkość 33 3.3.4. Wytrzymałość zmęczeniowa 35 3.3.5. Wytrzymałość na pełzanie 38 3.3.6. Odporność na zużycie wskutek tarcia 42 3.3.7. Odporność na korozję 43 4. METODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH 45 4.1. UMACNIANIE ODKSZTAŁCENIOWE 45 4.2 .UMACNIANIE PRZEZ ROZTWÓR 48 4.3. UMACNIANIE WYDZIELENIOWE I DYSPERSYJNE 49 4.4. UMOCNIENIE PRZEZ GRANICE ZIAREN 51 METALE I STOPY METALI 5. STRUKTURA METALI I STOPÓW 54 5.1. STRUKTURA METALI 54 5.2. STRUKTURA STOPÓW 56 5.2.1. Roztwory stałe 56 5.2.2. Fazy międzywęzłowe i między metaliczne 59 6. UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ 61 6.1. UKŁADY DWUSKŁADNIKOWE 62 6.1.1. Układ z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym 63 6.1.2. Układ równowagi z mieszaniną eutektyczną 64 6.1.3. Układ równowagi z przemianą perytektyczna 68 6.1.4. Układ równowagi z fazami międzymetalicznymi 71 6.1.5. Układ równowagi żelazo-węgiel 72 6.2. UKŁADY TRÓJSKŁADNIKOWE 81 6.3. RELACJE MIĘDZY RODZAJEM UKŁADU RÓWNOWAGI A WŁAŚCIWOŚCIAMI STOPU 82 7. KRZEPNIĘCIE I KRYSTALIZACJA TWORZYW METALOWYCH 84 7.1. ELEMENTY TERMODYNAMIKI 84 7.2. KRYSTALIZACJA CZYSTYCH METALI 85 7.2.1. Zarodkowanie fazy stałej 85 7.2.2. Wzrost kryształów 92 7.3 .KRYSTALIZACJA STOPÓW 92 7.4. STRUKTURA PIERWOTNA 94 8. PRZEMIANY FAZOWE W STANIE STAŁYM 96 8.1. SIŁA NAPĘDOWA PRZEMIAN FAZOWYCH W STANIE STAŁYM 96 8.2. ELEMENTY TEORII DYFUZJI 96 8.3. WYKRESY CTP 98 8.3.1. Przemiany dyfuzyjne 99 8.3.2. Przemiana bainityczna 104 8.3.3. Przemiana bezdyfuzyjna - martenzytyczna 105 8.4 . UMACNIANIE WYDZIELENIOWE I DYSPERSYJNE 110 9. ZMIANY STRUKTURY METALI I STOPÓW PODCZAS ODKSZTAŁCENIA. ZDROWIENIE I REKRYSTALIZACJA 112 9.1. STRUKTURA MATERIAŁU ODKSZTAŁCONEGO 112 9.2. ODBUDOWA STRUKTURY PO ODKSZTAŁCENIU 113 9.2.1. Zdrowienie 114 9.2.2. Rekrystalizacja 115 9.2.3. Rozrost ziaren 116 10. STOPY ŻELAZA Z WĘGLEM 117 10.1. STAL 117 10.1.1. Rola zanieczyszczeń 118 10.1.2. Wpływ domieszek 118 10.1.3. Wpływ dodatków stopowych 119 10.2. STALIWO 123 10.3. ŻELIWO 124 10.3.1. Wpływ składu chemicznego na grafityzację żelaza 125 10.3.2. Wpływ składu chemicznego na rodzaj metalicznej osnowy 126 11. METODY ODDZIAŁYWANIA NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI STO­PÓW Fe-C 128 11.1.OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW Fe-C 128 11.1.1. Przemiana perlityczna 129 11.1.2. Przemiana bainityczna 130 11.1.3. Przemiana martenzytyczna 131 11.1.4. Przemiany podczas odpuszczania 132 11.1.5. Wyżarzanie stopów Fe-C 133 11.2. TECHNICZNE ASPEKTY OBRÓBKI CIEPLNEJ 138 11.3. ZŁOŻONE METODY OBRÓBKI CIEPLNEJ 140 11.3.1. Obróbka cieplno-chemiczna 140 11.3.2. Obróbka cieplno-plastyczna 150 12. PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA 152 12.1. STAL 152 12.1.1. Stal konstrukcyjna niestopowa 156 12.1.2. Stal konstrukcyjna stopowa 162 12.1.3. Stal narzędziowa 171 12.1.4. Stal i stopy o specjalnych właściwościach chemicznych i fizycznych 175 12.2. STAL MARAGING 180 13. ODLEWNICZE STOPY ŻELAZA Z WĘGLEM 182 13.1. STALIWO 182 13.1.1. Staliwo niestopowe (węglowe) 183 13.1.2. Staliwo stopowe 184 13.2. ŻELIWO 185 13.2.1. Żeliwo białe 188 13.2.2. Żeliwo szare 188 13.2.3. Żeliwo sferoidalne 193 13.2.4. Żeliwo stopowe 197 13.2.5. Żeliwo ciągliwe 198 13.2.6. Żeliwo z grafitem wermikularnym 200 14. STOPY METALI NIEŻELAZNYCH 202 14.1. METALE LEKKIE I ICH STOPY 202 14.1.1. Aluminium i jego stopy 203 14.1.2. Magnez i jego stopy 216 14.1.3. Tytan i jego stopy 217 14.2. METALE CIĘŻKIE I ICH STOPY 222 14.2.1. Miedź i jej stopy 222 14.2.2. Stopy niklu i kobaltu 228 14.2.3. Cynk i jego stopy 231 MATERIAŁY CERAMICZNE I SZKŁA 15. WPROWADZENIE 234 15.1. CERAMIKI KRYSTALICZNE - PODZIAŁ I ROLA MATERIAŁÓW CERA­MICZNYCH 234 15.2. SZKŁA - CERAMIKA NIEKRYSTALICZNA 236 15.3. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA WŁAŚCIWOŚCI KONSTRUKCYJNYCH MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH 237 16. STRUKTURA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH 240 16.1. ROZKŁAD ATOMÓW W MATERIAŁACH CERAMICZNYCH 241 16.2. MIKROSTRUKTURA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH 243 17. WŁAŚCIWOŚCI CERAMIKI 246 17.1. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE 246 17.1.1. Moduł sprężystości materiałów ceramicznych 247 17.1.2. Wytrzymałość 249 17.1.3. Twardość 250 17.1.4. Kruchość materiałów ceramicznych 252 17.1.5. Zależność wytrzymałości ceramiki od czasu 255 17.2. WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNE 257 17.2.1. Odporność na gwałtowne zmiany temperatury 257 17.2.2. Pełzanie i zmęczenie cieplne 258 18. WYTWARZANIE I KSZTAŁTOWANIE CERAMIKI - WAŻNIEJSZE GA­TUNKI CERAMIKI TECHNICZNEJ 260 18.1. WYTWARZANIE CERAMIKI I INFORMACJE PODSTAWOWE 260 18.2. WAŻNIEJSZE GATUNKI CERAMIKI TECHNICZNEJ 262 18.2.1. Tlenek aluminium Al2O3 262 18.2.2. Azotek krzemu Si3N4 263 18.2.3. Ceramika cyrkonowa ZrO2 264 18.2.4. Ceramika karborudowa SiC 265 18.3. WŁAŚCIWOŚCI CERAMIKI TECHNICZNEJ 266 18.4. MOŻLIWOŚCI PODWYŻSZANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH 270 MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 19. KOMPOZYTY 271 19.1. WPROWADZENIE 271 19.1.1. Klasyfikacja kompozytów 272 19.1.2. Elementy mechaniki kompozytów 275 19.2. RODZAJE WZMOCNIENIA ORAZ GRANICA ROZDZIAŁU MIĘDZY WZMOCNIENIEM A OSNOWĄ 283 19.2.1. Włókna syntetyczne nieorganiczne 284 19.2.2. Elementy wzmacniające w postaci wiskersów oraz cząstek 290 19.3. KOMPOZYTY O OSNOWIE METALOWEJ 291 19.3.1. Wprowadzenie 291 19.3.2. Wytwarzanie kompozytów o osnowie metalowej 292 19.3.3. Reakcje na granicy rozdziału wzmocnienie-osnowa 297 19.3.4. Właściwości mechaniczne kompozytów297 19.3.5. Zastosowanie kompozytów o osnowie metalowej 301 20. KOMPOZYTY O OSNOWIE CERAMICZNEJ 304 20.1. WPROWADZENIE 304 20.2. WYTWARZANIE KOMPOZYTÓW O OSNOWIE CERAMICZNEJ 305 20.3. PRZEGLĄD WAŻNIEJSZYCH KOMPOZYTÓW O OSNOWIE CERAMICZ­NEJ 308 20.3.1. Kompozyty o osnowie Al2O3 308 20.3.2. Kompozyty o osnowie szklisto-ceramicznej 310 20.3.3. Kompozyty węglowo-węglowe 311 LITERATURA 314