1. Wybór materiału inżynierskiego - istotne właściwości.

Ekonomiczne:

- cena

- dostępność

2. Rodzaje materiałów inżynierskich i ich główne właściwości.

Rodzaje: metale i ich stopy, materiały ceramiczne i szkła, polimery, kompozyty, półprzewodniki.

Czystych metali się niemal nie stosuje (stosunkowo mała wytrzymałość mech.).

Stopy metali są szeroko stosowane (stale i żeliwa, miedź - brąz, mosiądz, stopy alum. niklu i tytanu). Charakteryzują się dużą sztywnością, ciągliwością, odpornością na pękanie, przewodzą prąd i ciepło, duża wytrzymałość mech. Budowa krystaliczna.

Ceramika i szkło (tlenki lub związki chem. z C,N,P,S). Mała przewodność cieplna i elekt. Wytrzymałość, odporność na ściskanie jest dobra. Odporność na ciągliwość i pękanie słaba. Odporne na korozje, wys. Temp. Budowa krystaliczna dla ceramiki, niekryst. dla szkła. Szklono i ceramika jest krucha.

Polimery. Dobra odporność na korozje, estetyczny wygląd, mała gęstość, mały wsp. tarcia, odporność na obciążenia dynamiczne, formowalność. Wady: mała sztywność, niska temp topnienia (pełzanie w temp otoczenia, niektóre polimery w temp 20C są ciągliwe a w 0C staja się już kruche).

Kompozyty. (co najmniej dwa materiały) Duża wytrzymałość cienkich włókien szklanych w połączeniu z ciągliwą osnową daje materiał zdolny do przenoszenia dużych obciążeń. Przykłady: beton, drewno. To najbardziej zaawansowane materiały w chwili obecnej.

Półprzewodniki. Nie są ani dobrymi przewodnikami ani dobrymi izolatorami, stosuje się je w elektronice.

3. Zależność między strukturą materiału, a procesem wytwarzania.

Istniejące zależności między strukturą, a procesem wytwarzania pozwalają, przez dobór składu chemicznego i sposobu wytwarzania, na uzyskanie struktury zapewniającej żądane właściwości użytkowe materiału. Jeśli materiał ma mieć określone właściwości a my zmienimy jeden z 2 czynników (z pytania) zmieniają się dwa pozostałe. Dlatego metodę wytwarzania i późniejszą obróbkę każdy materiał ma inną, aby gotowy materiał spełniał oczekiwania w sytuacjach w jakich się go wykorzysta.

4. Budowa atomu.

Składa się z dodatniego jądra i ujemnych elektronów (1/1836 masy protonu - 1.672*10^-24g). Elektrony są w powłokach (7)i podpowłokach (s, p, d, f, g, h, i). Jeśli liczba atomowa jest taka sama a liczba masowa różna to znaczy ze atom jest izotopem danego pierwiastka. Kurwa nie będę o tym pisał to już znamy od podstawówki :)

5. Rodzaje wiązań między atomami; orientacyjne energie.

Wiązanie jonowe (heteropolarne) - polega na elektrostatycznym przyciąganiu się jonów odmiennego znaku. Jony przyciągają się w myśl prawa Coulomba z siłą wprost proporcjonalną do ładunku (elektrowartościowości) i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości. W stałym stanie skupienia tworzą sieci krystaliczne, w których występują jony dodatnie i ujemne. W stanie stopionym i w roztworach przewodzą prąd elektryczny. Na ogół mają wysokie temperatury wrzenia i topnienia. Energie : 600 - 1550 kJ / mol
Wiązanie atomowe (homeopolarne, kowalencyjne) - polega na istnieniu wiążących par elektronów należących jednocześnie do dwóch sąsiadujących ze sobą atomów. Zewnętrzne powłoki atomów zachodzą wzajemnie na siebie, przez co niektóre elektrony są wspólną własnością obu atomów. Energie : 500 - 1250 kJ / mol

Wiązanie metaliczne - gdy pierwiastek przechodzi ze stanu pary w stan ciekły lub stały, to słabo związane z jądrem atomu elektrony walencyjne przestają należeć do poszczególnych atomów i stają się elektronami swobodnymi, stanowiącymi wspólną własność wszystkich atomów. Sieci krystaliczne metali są uporządkowanym zbiorem jonów dodatnich, tzw. rdzeni atomowych metalu pogrążonych jak gdyby w gazie elektronowym, który je cementuje.

Energie : 100 - 850 kJ / mol
Wiązania siłami van der Waalsa - Siłami van der Waalsa nazywamy siły wzajemnego przyciągania się cząsteczek. Siły te działają między cząsteczkami substancji gazowych i ciekłych, jak również między cząsteczkami w sieciach krystalicznych molekularnych.

Energie : < 40 kJ / mol

6. Geometria komórki elementarnej.

Komórka elementarna - najmniejszy wycinek sieci, który zachowuje jeszcze jej cechy charakterystyczne. Najprostszy element struktury krystalicznej. Wyróżnia się 7 typów Krystalograficznych. Wszystkie krawędzie i kąty komórki elementarnej powtarzają się w całej sieci i są nazywane parametrami sieciowymi.

7. Rodzaje struktury krystalicznej metali (oznaczenia).

Oznaczenia struktur krystalograficznych:

Symbol składa się z 2 liter i liczby:

- 1 litera (mała) - oznacza układ krystalograficzny: c, h, t, o, m, a

- 2 litera (duża) - oznacza typ sieci Bravais'go P, I, F, C, R

- 3 liczba - ilość atomów przypadająca na komórkę centralną

8. Współczynnik Poissona.

Współczynnik Poissona (ν) jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia. Współczynnik Poissona jest wielkością bezwymiarową i nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki się on odkształca.

ν = - ε_p/ε_n

9. Moduł Younga.

Wartość modułu Younga - miara oporu stawianego przez sąsiadujące atomy podczas zwiększania odległości między nimi.

• określa sztywność

• zależy od wiązań między atomami, składu chemicznego i struktury krystalicznej

• obróbki cieplne i plastyczne mają wpływ jeśli nie zmieniają parametrów

• jest wartością anizotropową (zależy od kierunku)

• stali wyżarzonej, odpuszczonej lub hartowanej

E = σ/ε

E - moduł Younga

σ - naprężenie rozciągające

ε - odkształcenie liniowe

10. Moduł Kirchoffa.

Moduł Kirchoffa (G) (inaczej moduł odkształcalności postaciowej albo moduł sprężystości poprzecznej) -współczynnik uzależniający odkształcenie postaciowe materiału od naprężenia, jakie w nim występuje. Jednostką modułu Kirchoffa jest paskal. Jest to wielkość określająca sprężystość materiału.

G = τ/γ

τ - naprężenia ścinające; γ - kąt odkształcenia

Moduł Kirchhoffa dla materiałów izotropowych bezpośrednio zależy od modułu Younga i współczynnika Poissona

11. Statyczna próba rozciągania.

• umożliwia określenie podstawowych charakterystyk wytrzymałościowych i plastycznych

• umożliwia jednoczesną rejestrację d i F

• tensometry - pomiar wydłużenia

• wymiary próbek są znormalizowane

• badanie próbki - wytrzymałość

12. Ważniejsze wielkości określane w próbie rozciągania.

???

13. Twardość materiału

Twardość jest to opór materiału przeciw wciskaniu wgłębnika. Twardość badamy:

• Metoda Rockwella - głębokość zagłębienia wgłębnika jest mierzona automatycznie i przetwarzana na liczbę twardości Rockwella.

• Metoda Brinella, (badamy widok z boku, z góry i wartość obciążenia i obliczamy wg. wzoru);

• Metoda Vickersa, tak samo jak powyżej;

Stwierdzono, że między twardością i wytrzymałością na rozciąganie istnieje zależność liniowa.

Twardość mierzy sie w celu:

• porównania materiału;

• sprawdzenia poprawności przeprowadzenia obróbki cieplnej;

• skontrolowania jakości.

Pomiar twardości jest : - szybki, prosty, nieniszczący i tani.

14. Udarność - wyznaczanie, znaczenie rodzaju struktury.

Udarność - odporność na działanie naprężeń dynamicznych.

Miara udarności - energia konieczna do zniszczenia próbki obciążonej udarowo.

Energia potrzebna do złamania próbki jest określana z różnicy położenia początkowego i końcowego wahadła.

Znaczenie rodzaju STRUKTURY.

-RSC - ciagliwa => dobra udarnosc, niezalezne od temperatury badania;

-HZ - kruche ,

-RPC - sposób pękania zależy od temperatury.

15. Odporność na pękanie.

Dwa skrajne przypadki zniszczenia materiałów:

1. materiały b. plastyczne [złoto, ołów] - przewężają sie do pojedynczych atomów

2. materialy krancowo kruche- pekaja bez odksztalcenia plastycznego

ODPORNOSC

Kk=q*sqrt(Pi*a) [Mpa*m^1/2]

q-odpornosc

a- dlugosc probki

Kk jest nazywane odpornoscia na pekanie,( ewent. krytycznym wpol. intenzywnosci naprezen).Wartosc Kkdla poszczegolnych materialow jest wyznaczana doswiadczalnie. Wprowadza sie d probki pekniecie o znanej dlugosci a i obciaza do chwili, gdy wystapi rozprzestrzenianie pekniecia. Badanie to dotyczy probek o odpowiedniej grubowsci. Dla cienkich probek , wartosc oznacza jest przez Kc i jest ona funckja grubosci probki.Warunki palskiego stanu sa wtedy, gy grubosc probki jest >>2.5(Kc/Re)^2.

Re-granica plastycznosci

16. Zmęczenie materiału.

Pekanie jest to pekanie materialu pod wplywem cyklicznych naprezen.Ok 90% pekania metali, to zjawisko zmeczenia.

Pojecie WYTRZYMALOSCI ZMECZENIOWEJ.

Przyklad Stali. Ponizej pewnemu wychyleniu probki ,stal nie ulegnie zniszczeniu, nawet przy duzej ilsci cykli testowania W przypadku innych stopow, amplituda naprezen maleje wraz ze wzrostem ilsci cykli, co powoduje zniszczenie probki. W praktyce, wtrzymalosc zmeczeniowa stopow niezelaznych , definiuje sie jako najwieksza wartosc amplitudynaprezen, powodujacej .zniszczenie materialu podczas duzej liczby cykli (okolo N=10^8

Materialy podczas eksploatacji narazone sa na skrecanie, zginanie.Wowczas maxymalne naprezenia wystepuja na powierzchni elementu.Oby to zniwelowac, unika sie lub ograncza miejsce zarodkowania pekniec zmeczeniowych. Albo, stosuje sie wartwe powierzchniowa materialu lub jego umocnienie [srutowanie, azotowanie, hartowanie]

17. Pełzanie materiału.

Zjawisko pelznania materialu nazywamy zwiekszenie sie z uplywem czasu odksztalcenie plastyczne pod wplyewm stalego obciazenia.Temperatury, od ktorych pelzanie staje sie istotne wahaja sie od 0.3 do 0.5 Tt. Wiele polimerow, ze wzgledu na niskie Tt, pelza juz w temp. pokojowych. Do konstrukcji eksloatowanych w wysokich temp. naleza turbiny, aparatura przemyslu chemicznego i petrochemicznego, reaktory jadrowe. W materiale obciazonym wystepuje:

1. dyfuzyjna migracja atomow;

2. przemieszczenie dyslokacji;

3. poslizg na granicach ziarn;

4. zdrowienie, rekrystalizacja rozrost ziarn;

5. wzrost czastek fazy umcniajacej (koagulacja).

Schemat badania pelzania:

18. Rodzaje roztworów stałych.

• Roztwory konstytucyjne (roztwór substytucyjny lub podstawiony)

Ni - rozpuszczony, Cu - rozpuszczalnik

Atomy Ni zajmują miejsca (przypadkowe) w strukturze krystalicznej Cu

Jeśli 2 składniki rozpuszczają się w sobie w dowolnych ilościach - tworzy roztwory stałe.

Aby 2 metale mogły tworzyć stałe, ciągłe metale:

- muszą mieć ten sam typ struktury;

- różnica promieni atomowych (nie może przekraczać 15%)

- podobna elektroujemność

- taka sama wartościowość

Gdy te warunki nie są spełnione - rozpuszczalność ograniczona.

Niektóre pierwiastki tworzą uporządkowane roztwory stałe.

• Roztwór stały CuAg

- powyżej 240ºC losowe rozmieszczenie

- poniżej 240ºC uporządkowany roztwór stały, atomy Cu i Ag zajmują miejsce w oddzielnych warstwach.

• Roztwory międzywęzłowe

Wielkość atomów jednej substancji dużo mniejsza od drugiej

- gdy średnica atomu składnika rozpuszczonego dużo mniejsza od średnicy atomu składnika podstawowego

- np.: Fe z C, N, H, O

19. Punktowe defekty sieci krystalicznej.

• Wakancja - nieobsadzone położenie atomowe.

• Atomy rodzime w położeniach międzywęzłowych.

• Istnieją niezależnie od defektów chemicznych

• Defekty Schotty'ego (2 wakancje o ładunkach przeciwnych)

• Defekt Franlha(?) (wakancje i atom rodzimy w pozycji międzywęzłowej)

20. Defekty liniowe (dyslokacje) struktury krystalicznej.

• Teoretyczna wytrzymałość na naprężenia statyczne

• Odkształcenie plastyczne

• Obliczenie teoretycznego odkształcenia krawędziowe/śrubowe

21. Odmiany alotropowe węgla.

• α - ferryt do 911ºC (α - sieć regularna przestrzennie centrowana A2)

• γ - austenit od 911 do 1398ºC (γ - sieć regularna ściennie centrowana A1)

• δ - ferryt od 1382 do 1536ºC (δ - jak α, lecz odległości międzyatomowe są większe)

• żelazo płynne od 1536ºC

22. Reguła faz Gibbsa: faza; składniki układu.

Faza - część układu oddzielona od reszty wyraźną granicą, na której przynajmniej pewne makroskopowe właściwości fizyczne i chemiczne ulegają skokowej zmianie.

Liczba stopni swobody - liczba zmiennych niezależnych w układzie, których zmiana nie spowoduje zmiany liczby faz

s = n - f + 2 (+1)

s - liczna stopni swobody

n - ilość składników

f - liczba faz

Zmienne niezależne: T, skład ciśnienia, p

23. Wykres fazowy dla 2 składników o nieograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym - opisz zmiany zachodzące podczas chłodzenia.

???

24. Wykres fazowy dla 2 składników nierozpuszczających się wzajemnie w stanie stałym - opisz zmiany zachodzące podczas chłodzenia.

???

25. Wykres fazowy dla 2 składników o ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym - opisz zmiany zachodzące podczas chłodzenia.

???

26. Na przykładzie wybranego wykresu fazowego wyjaśnij regułę dźwigni określania masy 2 faz stałych lub fazy stałej i ciekłej współistniejących w określonej temperaturze.

???

27. Na przykładzie wybranego wykresu fazowego wyjaśnij przemiany fazowe zachodzące w punkcie eutektycznym.

Punkt eutektyczny - z fazy ciekłej powstają 2 fazy stałe

28. Różnica pomiędzy przemianą eutektyczną a eutektoidalną.

???

29. Procesy zachodzące w wielkim piecu.

Gorący gaz w dolnej części pieca powoduje:

3Fe₂O₃ (hematyt) + CO → 2Fe₃O₄ (magnetyt) + CO₂

Fe₃O₄ (magnetyt) + CO → 3FeO (wistyt) + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

FeO + C → Fe + CO

30. Utlenianie węgla znajdującego się w surówce i odtlenianie stali.

Tlen występuje w stali głównie w postaci związanej, najczęściej tlenków FeO, SiO2, Al2O3 i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich własności mechanicznych i dlatego dąży się przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obniżenia jego zawartości w stali.

Odtlenianie stali przeprowadza się za pomocą stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera także duży wpływ na wielkość ziarna stali węglowej. Stale odtleniane żelazomanganem wykazują skłonności do intensywnego rozrostu ziarn przy nagrzaniu już nieco powyżej temperatury A. W przeciwieństwie do tego stale odtlenione aluminium, a także żelazokrzemem. wykazują wyraźny wzrost ziarn dopiero w temperaturze 150-200°C powyżej Ac3, co praktycznie wystarczy, aby przeciwdziałać zjawisku przegrzania stali.

31. Składniki zwykłe, zanieczyszczenia i pierwiastki stopowe w stalach.

Składniki zwykłe:

• Mn, Si, Al (dodawane w celu odtlenianie stali)

• przy wytwarzaniu stali potrzeba nadmiaru tlenu

• do cienkiej stali dodawane są odtleniacze (o dużym powinowactwie do tlenu) w celu związania tlenu

• gdy ich za mało, to przy obniżaniu temperatury wydziela się CO

Zanieczyszczenia:

• S, P, N, O, H

Pierwiastki stopowe:

• Mn, Si, Ni, Cr, Mo, W, V, Cu, B

32. Stal nieuspokojona i uspokojona.

Stal nieuspokojona:

• przy studzeniu intensywnie wydziela się CO

• we wlewku liczne pęcherze

• nie ma jamy skurczowej (skurcz kompensowany przez tworzone pęcherze)

Stal uspokojona:

• tak odtleniona, by podczas krzepnięcia nie następowało wydzielanie gazów

• odtleniacze: Mn, Si, Al.

• zawartość Si w stalach: powyżej 0,17%

• górna część wlewka z jamą usadową (odpad około 15 - 18% wlewka)

33. Podział stali w zależności od przeznaczenia.

• Stale konstrukcyjne:

• niestopowe (węglowe)

• niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości

• do nawęglania lub azotowania

• do ulepszania cieplnego

• sprężynowe i łożyskowe

• stale narzędziowe (stale wyżej węglone):

• niestopowe (węglowe)

• do pracy na zimno

• do pracy na gorąco

• szybkotnące

• stale o szczególnych właściwościach:

• odporne na korozję i utlenianie

• o szczególnych właściwościach magnetycznych

34. Hartowanie, odpuszczanie, martenzyt.

Hartowanie - zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali w celu utworzenia austenitu z następnym szybkim chłodzeniem dla utworzenia martenzytu.

Odpuszczanie - nagrzewanie zahartowanej stali (zwykle o strukturze martenzytycznej) w celu zwiększenia plastyczności; podczas nagrzewania zanikają naprężenia i wydzielają się węgliki.

Martenzyt - przesycony roztwór C w Fe-α utworzony podczas przemiany z austenitu.

---