Category Archives: Materiałoznawstwo

[Materiałoznawstwo] Wiązania pomiędzy atomami

Wstęp

  1. Siły, które utrzymują atom razem działają jak małe sprężynki, łącząc atomy w ciele stałym
  2. Istotny jest sposób w jaki atomy są ułożone

Wiązania pierwotne

W ceramikach wiązanie jonowe i kowalencyjne, w metalach – metaliczne i kowalencyjne.

Dobrym przykładem wiązań jonowych jest chlorek sodu. Sód 11 protonów, 12 neutronów i 11 elektronów. Elektrony są przyciągane do jądra siłami elektrostatycznymi, mają zatem energię ujemną. Najłatwiej przenieść najbardziej oddalony elektron sodu na wolne miejsce w chlorze, pracę wykona pole elektrostatyczne pomiędzy jonami. Wiązania jonowe są pozbawione kierunkowości.

Wiązania kowalencyjne występują w czystej formie w diamencie, krzemie i germanie. Pojawia się także w polimerach. Daje duży współczynnik sprężystości. Bliskość obydwu jąder powoduje powstanie nowego orbitalu elektronowego wspólnego dla obydwu atomów, do którego należą. Takie uwspólnienie prowadzi do zmniejszenia energii i utworzenia stabilnego wiązania. W zależności od kształtu orbitali w wielu wiązaniach kowalencyjnych występują różne rodzaje kierunkowości, które z kolei wpływają na to, jakie jest ułożenie atomów tworzących kryształ.

Wiązanie metaliczne jest dominującym rodzajem wiązań w metalach i stopach metali. W metalu jako ciele stałym elektrony mają tendencję do porzucania „swoich” atomów i tworzenia „morza” dosyć swobodnie poruszających się elektronów. Prowadzi to do zależności energetycznych podobnych jak w przypadku wiązania kowalencyjnego. Ale nie jest to wiązanie kierunkowe.

Wiązania wtórne

Zapewniają połączenia między cząsteczkami polimeru. Bez tych wiązań woda wrzałaby w temp -80 stopni.

Wiązania Van der Waalsa są wynikiem dipolowego przyciągania pomiędzy atomami obojętnymi elektrycznie. Ładunek atomu jest w ciągłym ruchu, w każdej chwili jego rozkład przestrzenny jest nieco asymetryczny względem jadra. Taki chwilowy rozkład ma pewien moment dipolowy, a ponieważ ten moment indukuje podobny moment w sąsiednim atomie – odbywa dipole się przyciągają . Dobry przykładem jest ciekły azot. Bez tych wiązań większość gazów nie skraplałaby się.

Wiązania wodorowe powodują, ze woda w temperaturze pokojowej jest cieczą, łączą też między sobą łańcuchy polimerowe. Wodorowe oddaje elektron w wyniku czego tworzą się jony i wiązanie mostkowe

Stany skondensowanej materii

Dzięki wspomnianym wyżej wiązaniom pierwotnym i wtórnym, materia w stanie gazowym ma skłonność do kondensacji, w wyniku czego powstają ciecze i ciała stałe. Wyróżnić możemy pięć różnych stanów materii, różniących się pod wpływem struktury i stanu wiązań. To są ciecze, ciekłe kryształy, elastomery, szkła, kryształy.

Siły międzyatomowe

  1. Siła F=0 dla odległości równowagowej. Gdy odsuwamy atomy z równowagi o małe $latex r$ to pojawia się proporcjonalna do r siła $latex F$
  2. Sztywność S wiązania jest określona przez wzór S=\frac{dF}{dr}
    Gdy odkształcenie jest niewielkie, S jest w przybliżeniu wielkością stałą

Podsumowując koncepcja sztywności wiązania, oparta na zależności energia-odległość dla różnych rodzajów wiązań zbliża nas znacznie do zrozumienia pochodzenia modułów sprężystości


[Materiałoznawstwo] Moduły sprężystości

Wstęp

Moduł sprężystości jest miarą oporu materiału podczas elastycznego odkształcenia. Materiały o małym module sprężystości nazywamy miękkie i podczas obciążenia znacznie się odkształcają. Z modułem jest także związana naturalna częstotliwość drgań.

Definicja naprężenia

Naprężenie jest to stosunek siły do powierzchni ciała. Wyróżniamy naprężenia normalne i styczne.
Cztery stany naprężeń:

  • czyste rozciąganie
  • płaski stan naprężenia
  • naprężenie hydrostatyczne
  • czyste ścinanie

Odkształcenie

Reakcją materiałów na naprężenie jest odkształcenie.
Naprężenia normalne powodują odkształcenia normalne. Próbka wydłuża się w kierunku naprężenia normalnego i staje się szczuplejsza. Wielkość o którą się kurczy nazywamy liczbę Poissona.
Naprężenie styczne powoduje odkształcenie postaciowe. Wyróżnia się tu wielkość nazywaną kątem ścięcia.
Naprężenia hydrostatyczne powodują zmianę objętości nazywaną dylatacją

Prawo Hooke’a

Małe odkształcenia są proporcjonalne do naprężeń.
Ta liniowa zależność pomiędzy naprężeniem i odkształceniem jest bardzo wygodna przy obliczaniu reakcji ciał sprężystych. Trzeba jednak pamiętać, że większość ciał zachowuje się sprężyście jedynie w zakresie bardzo małych odkształceń.

Pomiary modułu Younga

Prostym sposobem jest ściśnięcie kostki materiału. Ale nie jest to najlepszy pomiar, bo odkształcenia są bardzo małe.
Przykładem znacznie lepszej metody jest pomiar naturalnej częstości drgań pręta z badanego materiału podpartego na końcu i obciążonego pośrodku masą M.
Wtedy: E=\frac{16 /pi M l^{3} f^{2}}{3d^{4}}
Wykorzystanie techniki stroboskopowej i starannie zaprojektowanej aparatury umożliwia uzyskanie bardzo dobrej dokładności przy użyciu tej metody.
Najlepszą metodą jest pomiar dźwięku w materiale: v=(\frac{E}{\rho})^{1/2}
Prędkość drgań podłużnych mierzy się za pomocą pręta do którego obu końców są przyklejone piezoelektryczne kryształy i mierzone napięcia elektryczne wynikające z przesunięcia ładunków.

Wartość modułów Younga

Największy ma diament, najmniejszy guma z materiałów inżynierskiego zastosowania.


[Materiałoznawstwo] Cena i dostępność materiałów

Źródło: Materiały Inżynierskie cz. 1 Właściwości i zastosowania M.F. Ashby – rozdział 2

Ceny materiałów

W każdym przedsięwzięciu projektowym koszty odgrywają ważną rolę. Aktualne ceny są publikowane w czasopismach handlowych.
Krótkookresowe zmiany cen mają niewiele wspólnego z brakiem lub obfitością jakiegoś materiału. Wynikają one raczej z niewielkich, chwilowych wahań w różnicy między podażą a popytem, wykorzystywanych przez spekulacje rynkowe. Ważne są także czynniki polityczne.
Zmiany długookresowe są innego rodzaju. Odzwierciedlają one częsciowo rzeczywiste koszty wydobycia surowców, transportu i przetworzenia ich na materiały inżynierskie (koszt inwestycji, robocizny i energii). Inflacja i wzrost kosztów energii nieustanie podnosci cenę, podobny wpływ ma konieczność korzystania ze złóż rud coraz bardziej ubogich.
Planując przedsięwzięcia długoterminowe dobrze jest mieć rozeznanie, których surowców zapasy się wyczerpują, a któymi będziemy dysponować bez ograniczeń.

Struktura zużycia materiałów

W krajach rozwiniętych: konstrukcje budowlane pochłaniają stal, cement i drewno; stal i aluminium potrzebne są w konstrukcjach maszyn i urządzeń, z miedzi wytwarza się przewody elektryczne, a z polimerów różnego rodzaju akcesoria.

Występowanie materiałów na Ziemi

Niewiele materiałów inżynierskich syntetyzuje się z bubstancji pozyskiwanych z oceanów i atomsfery. Prawie wszystkie pochodzą ze skorupy ziemskiej. Miedzi, srebra, wolframu, cyny czy rtęci jest bardzo mało, traktuje się je jako materiały strategiczne i zamiast je wydobywać i sprzedawać robi się zapasy na później. Na pewno nie mamy co narzekać na brak tlenu, krzemu czy aluminium. Kolejnym jest żelazo. Zarówno żelazo jak i aluminium występują wszędzie, ale ich koncentracja jest znikoma, dlatego często wydobycie ich staje się nieopłacalne.

Wykładniczy wzrost i czas podwojenia zużycia

Według badań przyrost szybkości zużycia materiałów rośnie wykładniczo!

Dostępność zasobów

Przez dostępnie obecnie zasoby rozumie się znane pokłady, które można z zyskiem eksploatować przy zastosowaniu dzisiejszych technik i przy aktualnych kosztach wydobycia.
Zależą od:

  1. Zlokalizowania
  2. Wielkości bazy surowcowej
  3. Energii potrzebnej do jej wydobycia

Określenie jak długo całość zasobów będzie źródłem potrzebnych nam surowców do produkcji materiałów jest sprawą niezwykle istotną i oszacowania takie powinniśmy zawsze robić.

Ocenia się, że:

  • ropy naftowej i gazu ziemnego starczy nam na kilkanaście lat
  • srebro, cyna wolfram, cynk, ołów od 40 do 70 lat.

Przewidywania na przyszłość

  • Oszczędne projektowanie
  • Stosowanie zamienników
    kamień i drewno => stal i cement
    miedź => polietylen
    drewno i metale => polimery
    miedź => aluminium
  • Recykling

Wnioski

Problem wyczerpania się surowców do produkcji nie jest tak groźny jak wyczerpywanie się źródeł energii. Jednak konsekwencją przejęcia przez kraje Trzeciego Świata całkowitej energii i surowców oznacza, że w ciągu następnych lat ceny materiałów będą się gwałtownie zmieniac