Wykład 1

• Materie i ich stopy;

• Czyste metale;

• Krystalizacja;

• Struktura metali;

• Obróbka;

Materiały techniczne dzielimy na:

Metale: a) techniczne czyste, b) stopy

Ceramika: a) wielkotowarowa, b) specjalna, c) szkło

Polimery: a) ogólnego stosowania, b) specjalne

Rodzaje wiązań:

1. pierwotne (mocne)

2. wtórne (słabe)

Wiązania:

• pionowe np. pomiędzy atomami Cl i atomami Na. Atom Na daje elektron atomowi Cl następuje siła przyciągania i tworzy się NaCl.

• Wander Walsa są wynikiem dipolowego przyciągania pomiędzy atomami obojętnymi elektr. Np. ciekły azot

• Kowalencyjne np. czyste metale diament

• Wodorowe łączą łańcuchy polimerydowe np. rozmieszczenie cząstek w H₂O

• Metaliczne elektr. tworzą rodzaj gazu elektronowego k-ką element. jest najmniejszy element, który można dublować.

Układy krystalograficzne:

1. Wskaźniki płaszczyzn

2. Wskaźniki kierunków

Ad.1 wskaźnik Heilera jest odwrotnością odcinków jakie płaszczyzna odcina na osiach zredukowanych do najmniejszych liczb całkowitych.

Ad.2 wskaźniki kierunków to składowe wektora leżącego wzdłuż opisywanego kierunku zaczepionego na początku współrzędnych.

Typy defektów punktowych:

• Wakancja kationowa;

• Wakancja anionowa;

• Anion w węźle sieci;

• Kation w węźle anionowym;

• Defekty struktury sieci;

• Defekty liniowe - nacinamy małą objętość kryształu wzdłuż powierzchni, przesuwamy górną płaszczyznę w stosunku do dolnej;

• Dyslokacja krawędziowa śrubowa;

• Defekty płaskie;

Metale - atomy w metalach rozmieszczone są tworząc sieci:

• Regularna;

• Płasko centrowana - do tej grupy należy: Cu, N, Fe, Ag, Au, Pb;

• Regularną przestrzeń centralną np. Mo, W;

• Heksagonalną zwartą Zn, Mu, Tn, K, Ca;

Polimorficzne metali - występowanie kilku struktur reprezentowanych przez Tytan, Fe.

Wykład 2

Metale czyste technicznie dzielimy na:

Lekkie: a) łatwo topliwe (Mg, Ca, Na, K), b) trudno topliwe (Ti, Ba, Sc);

Ciężkie: a) łatwo topliwe (Zn, Cd, Sk, Pb, Mg, Bi) b) trudno topliwe (Fe, Ni, Cb, Cu, Mn, Cr, V, Zr, Ag, Au);

Metale to dobre przewodniki cieplne, topliwe, deformacje plastyczne, metale nie są przepuszczalne. Dzięki bezwładności wiązek mogą się tworzyć stopy metali lekkich, stopy żelaza - materiały konstrukcyjne.

Dyslokacja śrubowa, krawędziowa. Dzięki defektom łatwo jest kryształ odkształcić.

Właściwości mechaniczne:

1. Moduł Younga;

2. Odkształcenie sprężyste;

3. Statyczna próba rozciągania;

4. Twardość;

5. Odporność na pękanie;

6. Zmęczenie;

7. Pełzanie;

Obecność dyslokacji może umocnić materiał.

Metale mogą być odkształcane na zimno i na gorąco. Podstawowe odkształcenia kryształów jest przemieszczanie jednej części kryształów względem drugiej bez zmiany objętości i orientacji krystalograficznej.

Wzdłuż gęsto usytuowanych płaszczyzn w krysztale poślizg jest łatwiejszy.

Materiały polikrystaliczne - duże liczby ziaren które są połączone obszarem granic. Odkształcenie polikrystaliczne zachodzi na kilku płaszczyznach. Pod wpływem odkształcania na zimno następuje zmiana kryształu, wielkość orientacji krystalograficznej ziaren ( walcowanie stali ).

Zdrowienie - jest to proces zmniejszania defektu punktu i likwidowanie dyslokacji.

Odkształcenie materiałów na gorąco związane jest z wzmocnieniem aktywowanym pod wpływem dostarczonego ciepła. Procesy odbudowy przywracają plastyczność materiału. Każdy materiał obciążony ulega odkształceniu wydłużenie materiału związane jest z budową materiału. Moduł Younga jest zależny od temperatury topnienia metali. Moduł Younga jest miarą oporu stawianego przez sąsiednie atomy podczas zwiększania pomiędzy nimi odległości. Jest proporcjonalny od pochylenia krzywej zależności siły wiązania od odległości między atomami. Moduł Younga jest zdefiniowany prawem Hooke'a. Współczynnik proporcjonalności we wzorze łączącym zależność odkształcenia liniowego od naprężenia rozciągającego. δ = Eε δ - naprężenie rozciągające, E - moduł Younga, ε - odkształcenie liniowe; odkształcenie sprężyste unika usunięciu siły obciążenia.

Właściwości charakteryzujące materiał:

• Granica plastyczności;

• W przypadku odkształcenia plastycznego materiał po usunięciu działania obciążenia nie wraca do poprzedniego kształtu;

• Umowna granica plastyczności;

• Umowna granica sprężystości;

• Wytrzymałość na rozciąganie;

• Wydłużenie względne;

• Przewężenie względne;

• Umowne granice plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie materiału;

• Miarą ciągliwości materiału jest jego przewężenie i wydłużenie;

Defektoskopy - pomiar modułu Younga ( fali przedłużonej, poprzedniej przechodzącej przez próbkę ).

Metody ultradźwiękowe pomiaru wyznaczenia modułu Younga są metodami nieniszczącymi.

Wykład 3

Faza jest jednorodną pod względem właściwości częścią układu oddzieloną od pozostałej granicą rozdziału. Rodzaj faz, sposób rozmieszczenia. Mogą występować zw. proste: tlenki, siarczki.

Znaczenie szczególne:

• Roztwory stałe

• Fazy pośrednie

• Fazy międzywęzłowe

Roztwory stałe: jeżeli w strukturze kryształu oprócz pierwiastków atomu rodzimego są inne atomy. Cechy: zachowanie struktury pierwiastka zwanego rozpuszczalnikiem. Rozróżniamy dwa rodzaje roztworów:

• Różnowęzłowe

• Międzywęzłowe

Roztwory stałe mogą dzielić się na: graniczne i ciągłe (ciągły stop Cu-Ni). Roztwór graniczny - określona ilość rozpuszczalnika.

Czynniki warunkujące tworzenie się roztworów stałych:

• Wielkość atomu;

• Struktura krystaliczna;

• Powinowactwo chemiczne;

• Względna wartościowość pierwiastków;

Proces zachodzi z obniżeniem temperatury Au Cu.

Fazy pośrednie mają istotne znaczenie przy rozpatrywaniu stopów metali. Powstają w warunkach gdy, dwa pierwiastki tworzą strukturę wspólną dla nich obu, odmienną dla każdego z nich. Dwa pierwiastki metaliczne - cechy wiązania metalicznego często nazywane fazami międzymetalicznymi.

Fazy: CuBe, AuMg, NiAl, - duże zastosowanie, korzystne właściwości.

Fazy międzywęzłowe tworzą się międzypierwiastkami metali przejściowych i metaloidami - mają małą średnicę atomową: C, B, N, O. Fazy międzywęzłowe mogą mieć strukturę prostą: charakteryzują się wysoką twardością i kruchością. Struktura prosta: VC, TiC, Mo₂C, TiN. Fazy międzywęzłowe o strukturze złożonej: Fe₃C, Ni₃C, Ca₂C, Cr₃C2

Materiały w przyrodzie

Materiały wszystkie - układy termodynamiczne oddzielone od otoczenia powierzchnią zwaną granicą układu. Opis układu wymaga znajomości jego składników, występujących faz, parametrów termodynamicznych oraz procesów przebiegających w układzie. Składniki układów: niezależne substancje chemiczne (pierwiastki i ich związki). Zawartość układu możemy rozpatrywać w % masowych, atomowych, molowych.

1. % masowy (% A) waga = m_a / m_a + m_b m_a i m_b - masy poszczególnych składników

2. % atomowy (% A) at = n_a / n_a + n_b * 100% n_a i n_b - liczba moli poszczególnych składników

n_a + n_b - suma ułamków molowych składnika A Na = n_a / n_a + n_b suma ułamków molowych n_a + n_b = 1

Parametry termodynamiczne stałe: temperatura, ciśnienie, objętość;

Równowaga fazowa: współistnienie wszystkich faz w układzie w stanie równowagi termodynamicznej, stosunki ilościowe układu są stałe. Przemiana fazowa jest to proces doprowadzający do pojawienia się w układzie nowej fazy. Reguła faz Gibbsa jest to zależność termodynamiczna wiążąca liczbę faz (f) z liczbą niezależnych składników układu (n) oraz z liczbą stopni swobody (z). z = n - f + 2 f - liczba faz występujących w układzie; n - liczba niezależnych składników układu (najmniejsza); z - liczba stopni swobody, liczba parametrów, które można zmienić bez naruszenia równowagi fazowej: T, p, i układ chemiczny faz. Dla stałego ciśnienia reguła faz - zależność: z = n - f + 1

Ważna jest energia swobody - potencjałem termodynamicznym, wszystkie procesy samorzutne (nieodwracalne) przebiegają w kierunku zmniejszenia energii swobodnie dla przemiany izobarycznej i izotermicznej.

G = Pv + TS = H - Ts H - entropia, Ts - entalpia ;

Algorytmy obliczają minimum energii swobodnej. Na podstawie tych obliczeń możemy stwierdzić czy dana faza będzie istniała czy nie będzie istniała. Dla przemiany izotermicznej i izochorycznej energia swobodna. F = U - Ts T - const. V - const. Charakteryzują one dany układ: energia swobodna, potencjał termodynamiczny. Równowaga termodynamiczna układu - minimum energii swobodnej albo potencjały we wszystkich układach są równe.

Likwidus - oddziela obszar występowania roztworu ciekłego L składników A i B od obszaru dwufazowego α. Solidus - oddziela obszar dwufazowy ciecz, faza stała od obszaru roztworu stałego α.

Wykład 4

Układ żelazo-węgiel pięć podstawowych faz:

1. ciecz - L - ciekły roztwór węgla w żelazie;

2. δ - nieuporządkowany międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie (poliformizm, odmiany) maksymalna rozpuszczalność węgla w 0,08% wagowo;

3. γ - austenit - (RSC) - nieuporządkowany międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie maksymalna rozpuszczalność węgla 1,7% wagowo;

4. α - ferryt - (RTC) - nieuporządkowany międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie maksymalna rozpuszczalność węgla 0,035% wagowo;

5. Fe₃C - cementyt - struktura krucha złożona maksymalna rozpuszczalność węgla 6,7% wagowo.

Istnienie poszczególnych faz jest związane z zawartością węgla. E - perlit - mieszanina eutektyczna

I - ledeburyt - eutektoid

Gdy występuje równowaga trzech faz muszą występować eutektoidy. Przemiany faz (znikanie lub tworzenie się nowych faz) wyróżniamy dwa rodzaje faz:

1. Przemiany 1-go rodzaju - związane są z ciągłą zmianą fazy termodynamicznej: przejście ferromagnetyków w stan paramagnetyczny.

2. Przemiany 2-go rodzaju - zachodzą bez zmiany energii swobodnej układu: zmiany stanu skupienia (przemiana martenzytyczna C i Fe)

Każda z przemian związana jest z przegrupowaniem atomów. Duża liczba atomów - przemiana w małej objętości - dotyczy przemian niejednorodnych. Mała liczba atomów - przemiana w dużej objętości - dotyczy przemian jednorodnych. Aby przemiana mogła nastąpić musi być pokonana pewna bariera energii. -ΔG = -ΔGs - ΔGv ΔGs - zależna od powierzchni zarodka; ΔGv - zależna od objętości zarodka;

Siła napędowa procesu tworzenia się zarodka. Jeżeli chcemy utworzyć fazę musimy dostarczyć energii: człon powierzchniowy i człon objętościowy. Zarodek ma kształt kuli uwzględniając człon objętościowy i powierzchniowy przybiera taką samą postać: 4Πr2γ - 4/3Πr3Δg_k Δg_k - wartość energii swobodnej niezbędnej do utworzenia zarodka o promieniu krytycznym.

Szybkość tworzenia fazy zależna jest od:

• Liczby atomów w położeniu niestabilnym;

• Częstości z jaką atomy próbują pokonać barierę potencjału;

• Prawdopodobieństwo, że atom uzyska odpowiednią energię prawdopodobieństwa;

Równanie Arheniusa (określa szybkość przemiany).

V = A*e-q/kT A - stała, q - energia aktywacji przypadająca na 1 atom, k - stała Bolzmana

Rozróżniamy dwa rodzaje zarodkowania

1. Homogeniczne - występuje w obrębie fazy jednorodnej - tworzenie się zarodków jest jednakowe w każdym punkcie fazy;

2. Heterogeniczne - występuje najczęściej w praktyce na obcych elementach fazy (na ściankach wlewnicy - roztopiony metal) zaburzenia struktury defekty punktowe i defekty liniowe (miejsca uprzywilejowane). Do utworzenia zarodka heterogenicznego potrzebna jest mniejsza energia swobodna.

Energia swobodna i promień krytyczny uzależniony jest od przechłodzenia układu.

Wynikiem przesunięcia warstw atomów tworzy się sieć tetragonalna.

Dla małych przechłodzeń występuje mała liczba zarodków i duża prędkość wzrostu (dyfuzja w niskich temperaturach - wartości małe). W dużych przechłodzeniach powstaje duża liczba zarodków z małą szybkością wzrostu. Krystalizacja - przejście cieczy w stan krystaliczny. Szybkość krystalizacji wzrasta ze wzrostem przechłodzenia. Bardzo duża szybkość krystalizacji prowadzi do powstania struktury amorficznej (akrystalicznej). Powierzchnią tej fazy - prąd krystaliczny fazy nowej tworzącej powierzchnię frontu krystalicznego. Rozróżniamy dwie struktury:

1. Atomowo - szorstką;

2. Atomowo - gładką;

Wyróżniamy dwa rodzaje krystalizacji:

1. Objętościowa - w całej objętości;

2. Kierunkowa - polega na przemieszczaniu ciągłego frontu krystalizacji z jednego miejsca frontu na drugi.

Przemiana perlityczna - w stopach Fe-C w przypadku, gdy jeden ze składników ma dwie odmiany alotropowe mamy do czynienia ze zmianą struktury krystalicznej rozpuszczalnika poprzedzana dyfuzyjnym przegrupowaniem atomów i utworzeniu fazy bogatej w rozpuszczalnik. Układ Fe-C jest to mieszanina cementytu i ferrytu. Perlit nie jest nową fazą.

Przemiana martenzytyczna - istnieje także w innych układach niż Fe-C. Przemiana ta polega (w skali atomowej) na skoordynowaniu ruchów atomów na odległości mniejszej od parametrów struktury.

Wykład 5

Przemiana martenzytyczna jest przemianą odwracalną i bezdyfuzyjną. Na przemianę martenzytyczną mają wpływ dodatki innych pierwiastków Mn, Mo, Cr, Ni, Si, Co, Al;

Przemiana bainityczna - powstaje w stopach żelaza z węglem rodzaj przemiany bezdyfuzyjnej. Bainit jest to mieszanina ferrytu i węgliku. Przemiana ta łączy cechy przemiany termicznej bezdyfuzyjnej i martenzytycznej bezdyfuzyjnej.

Stop - tworzywo metaliczne powstałe w wyniku dodania innych pierwiastków (składników stopowych) do czystego metalu. Stan stopu opisany jest przez:

• Średni skład chemiczny;

• Liczbę faz;

• Skład chemiczny każdej z faz;

• Udział wagowy poszczególnych faz;

Metale i ich stopy:

1. Żelazo i jego stopy;

2. Metale nieżelazne i ich stopy:

Stopy żelaza najważniejsza grupa stopów:

• Skorupa ziemska zawiera 4,2% żelaza

• Niska temperatura topnienia -1538°C - otrzymywanie w stanie ciekłym

• Duże przemiany fazowe w stanie stałym umożliwiają tworzenie szerokiej gamy mikrostruktur.

Stal - przerobiony plastycznie techniczny stop żelaza z węglem zawierający do 2,11%C.

Pierwiastki występujące w stalach:

• Składniki zwykłe (Mn, Si, Al) dodane w celu odtlenienia;

• Zanieczyszczenia (S, P, O₂,H₂);

• Pierwiastki stopowe (Mn, Si, Ni, Cr, Mo, W, V, Cu, B) dodane celowo dla uzyskania określonych właściwości.

Stale węglowe - stopy Fe+C

Mikrostruktura związana z przeróbką plastyczną w wysokiej temperaturze (walcowanie) i wolnym chłodzeniem w temperaturze pokojowej.

Żelazo - pozyskiwane z rud (magnetyt, hematyt, limonit, syderyt).

1. Wysokowęglowe - Fe + 0,7-1,7%C (0,8%Mn) sprężyny, stale szybkotnące;

2. Średniowęglowa - Fe + 0,3-0,7%C (0,8%Mn) śruby, nakrętki, koła zębate;

3. Niskowęglowa (miękka) - Fe +0,04-0,3%C ok.0,8%Mn;

Niskowęglowa (zwykła) - Fe + 0,2%C ok.0,8%Mn + (1%Cr, 2Ni)

Proces odpuszczania stali przyczynia się do zmiany właściwości stali 300-600°C.

Żeliwo - stopy żelaza zawierające powyżej 1,7%C zalety niska temperatura topnienia -1160°C łatwe do odlewania.

Rodzaje żeliwa:

1. Białe - ferryt α + Fe₃C (materiał kruchy) - srebrzysta barwa powierzchni przełomu.

2. Szare - węgiel w postaci grafitu 2% wagowo Si materiał odporny na zużycie.

Rodzaje wydzielin grafitu w żeliwie:

• W postaci płatków - mała wytrzymałość żeliwa;

• W kształcie sferoidalnym ( dodatek ceru lub magnezu) - duża wytrzymałość na obciążenia dynamiczne , plastyczność.

Stale stopowe:

• Stale niskostopowe (do6%Cr)

• Stale wysokostopowe odporne na korozję (Cr, Mo, W, V, Co)

• Stale narzędziowe

Rola dodatków stopowych

• Poprawienie hartowności

• Umocnienie roztworowe

• Odporność na korozję

• Stabilizacja austenitu

Umocnienie stali - hartowanie i odpuszczanie

Krytyczna szybkość chłodzenia (najmniejsza szybkość chłodzenia dla uzyskania martenzytu) zależy od:

• Zawartości węgla ( dodatek węgla zmniejsza przemiany dyfuzyjne);

• Wielkości ziaren austenitu (drobniejsze ziarna - szybsza przemiana).

Pierwiastki które zwiększają hartowność stali Mo, Mn, Cr, Ni;

Umocnienie roztworowe - stale niskostopowe - pierwiastki (W, Co), rozpuszczają się w ferrycie i austenicie tworząc roztwór stały różnowęzłowy.

Zalety:

• Wysoka wytrzymałość;

• Odporność na przegrzania;

• Nie wymagają obróbki cieplnej;

• Elementy z tych stali mogą być spawane;

• Narzędzia wykonane z tych stali mogą pracować przy dużych szybkościach skrawania:

Umocnienie cząstkami twardych faz:

Stale narzędziowe - 1%C, 0,3%Si i Mn (twarde) operacje technologiczne to hartowanie, odpuszczanie wymagane stosowanie cieczy chłodzących w procesie skrawania. (nagrzewają się przy skrawaniu metali).

Stale szybkotnące - 1%C, 0,4%Si, 0,4%Mn, 4%Cr, 5%Mo, 6%W, 2%V, 5%Co. Operacje technologiczne to hartowanie i odpuszczanie. Procesy chemiczne rozpuszczanie Fe₃C, reakcja uwolnionego węgla z rozpuszczonymi pierwiastkami Mo, Mn, Cr, tworzenie się cząstek z węglikami.

---