Wykład IV

Jak to jest, że materiały dają się kształtować i czy jest to łatwe?

Wiązania między atomami:

• Wiązanie metaliczne- Występuje w dużych skupiskach atomow pierwiastkow metalicznych, ktore po zbliżeniu się na wystarczająco małą odległość, charakterystyczną dla stałego stanu skupienia, oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomow. Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi (jonami dodatnimi), tworząc tzw. gaz elektronowy, charakterystyczny dla wiązania metalicznego. Wiązanie metaliczne nie ma charakteru kierunkowego, jak pozostałe rodzaje wiązań. Rdzenie atomowe na skutek elektrostatycznego oddziaływania elektronow swobodnych dążą do jak najgęstszego wypełnienia przestrzeni.

• Wiązanie jonowe- Gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny, powstaje wiązanie jonowe. W wyniku utraty elektronów walencyjnych przez jeden atom i przyłączenia tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskują oktetowe konfiguracje elektronowe, takie jakimi charakteryzują się gazy szlachetne. Wiązania jonowe są tworzone przez atomy, w których występuje odpowiednio brak i nadmiar jednego lub dwóch elektronów walencyjnych. Wiązanie jonowe powoduje dużą rezystywność i oporność cieplną oraz kruchość uzyskiwanych substancji, które są przezroczyste, często o różnym zabarwieniu.

• Wiązanie kowalencyjne- W przypadku atomów pierwiastków elektroujemnych - zwykle gazów - elektrony walencyjne pierwotnie różnych atomów tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów. Wiązania tworzone przez takie uwspólnione elektrony są nazywane atomowymi czyli kowalencyjnymi. Wiązania atomowe, poza gazami, występują także w substancjach stałych, takich jak np. Si, Ge i diament.

• Wiązania wtórne (siły van der Waalsa)- Wiązania wtórne występują między wszystkimi atomami lub cząsteczkami, lecz ich obecność może być stwierdzona, jeżeli występuje choć jedno z trzech wiązań pierwotnych. Wiązania wtórne są ewidentne między atomami gazów szlachetnych, które mają stabilną strukturę elektronową, a ponadto między cząsteczkami utworzonymi w wyniku wiązań kowalencyjnych. Siły van der Waalsa występują między dipolami cząsteczek lub atomów. Elektryczne dipole występują w przypadku rozdzielenia ładunków dodatnich i ujemnych w atomie lub cząsteczce. Wiązanie van der Waalsa jest wynikiem przyciągania siłami Coulomba między dodatnim końcem jednego a ujemnym końcem drugiego dipola. Oddziaływania takie występują między:

• dipolami wyidukowanymi

• dipolami wyindukowanymi i cząsteczkami spolaryzowanymi (które wykazują dipole okresowo),

• cząsteczkami spolaryzowanymi

Schematy rodzajów sieci przestrzennych (według A. Bravais'go):

Czy atomy zawsze są poukładane w porządku?

Nie. Liniowymi wadami budowy krystalicznej są dyslokacje. Do głównych rodzajów dyslokacji należą:

• dyslokacje krawędziowe

• dyslokacje śrubowe

• dyslokacje mieszane

1. Dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź ekstrapłaszczyzny, tj. półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. W zależności od położenia dodatkowej półpłaszczyzny dyslokacje mogą być dodatnie, oznaczane ⊥, lub ujemne - o oznaczeniu. Wokół dyslokacji krawędziowej występuje jednocześnie postaciowe i objętościowe odkształcenie kryształu.

2. Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej. Wektor Burgersa dyslokacji śrubowej jest równoległy do jej linii. Wokół dyslokacji śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształcenie sieci krystalicznej. Dyslokacje śrubowe mogą być prawoskrętne lub lewoskrętne, co oznacza się odpowiednio Poślizg związany z ruchem dyslokacji śrubowej polega na przemieszczaniu się linii dyslokacji śrubowej w głąb kryształu, prostopadle do działania naprężenia stycznego τ.

3. Dyslokacje o dowolnej orientacji wektora Burgersa względem linii dyslokacji noszą nazwę dyslokacji mieszanych. Można je traktować jako nałożone na siebie dyslokacje krawędziowe i śrubowe. Dyslokacje tworzą w obrębie kryształu zamknięte pętle, które nie mogą być przerwane, chyba że wyjdą na powierzchnię. Krzywoliniowe odcinki pętli są dyslokacjami mieszanymi, natomiast odcinki pętli, do których wektor Burgersa jest prostopadły lub równoległy, są odpowiednio dyslokacjami krawędziowymi lub śrubowymi.

Efekty kształtowania i własności materiałów

Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wykazują, że najlepszymi własnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzymałość powinna przewyższać około 1000-krotnie wytrzymałość metali technicznych. Potwierdza to fakt, że bardzo duże własności uzyskują kryształy włoskowate, tak zwane wiskery, tj. monokryształy o jednej tylko dyslokacji śrubowej. Dążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak technicznie bardzo trudne. Natomiast praktyczna metoda umacniania metali polega na znacznym zwiększeniu gęstości wad budowy krystalicznej, co można osiągnąć przez stosowanie stopów metali o strukturze polikrystalicznej, w wyniku rozdrobnienia ziarn, wydzielenia faz o dużej dyspersji, a także przez zgniot wskutek odkształcenia plastycznego na zimno. Osiągnięciu tego celu sprzyjają więc procesy technologiczne odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej.

Kształtowanie struktury metali metodami technologicznymi

Rodzaj przemiany fazowej	Rodzaj procesu obróbki cieplnej
Martenzytyczna (w niektórych przypadkach także bainityczna)	hartowanie, ulepszanie cieplne, utwardzanie cieplne.
Perlityczna	normalizowanie
Wydzielanie	starzenie, utwardzanie wydzieleniowe.
Rekrystalizacja	wyżarzanie rekrystalizujące.
Rekrystalizacja dynamiczna i wydzielanie.	obróbka cieplnomechaniczna, regulowane walcowanie, kontrolowana rekrystalizacja.
Martenzytyczna odwracalna.
Nanokrystalizacja	wyżarzanie

W jaki sposób wykorzystuje się materiały inżynierskie?

Projektowanie produktów

Pierwsza faza projektowania produktu dotyczy wzornictwa przemysłowego związanego z ogólnym opisem funkcji produktu oraz opracowaniem ogólnej jego koncepcji, obejmującej jedynie formę zewnętrzną, kolor i ewentualnie ogólne założenia co do połączenia głównych elementów. Następne fazy obejmują projektowanie inżynierskie i kolejno przygotowanie produkcji. Projektowanie inżynierskie, w którym można wyróżnić projektowanie systemu wytwarzania oraz projektowanie produktów nie jest wyizolowanym działaniem, gdyż wpływa na wszystkie pozostałe fazy wprowadzania na rynek danego produktu, od których równocześnie jest zależne projektowanie produktu, łączy w sobie trzy równie ważne i nierozdzielne elementy:

• projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest opracowywanie kształtu i cech geometrycznych produktów zaspokajających ludzkie potrzeby,

• projektowanie materiałowe w celu zagwarantowania wymaganej trwałości produktu lub jego elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich o wymaganych własnościach fizykochemicznych i technologicznych,

• projektowanie technologiczne procesu umożliwiającego nadanie wymaganych cech geometrycznych i własności poszczególnym elementom produktu, a także ich prawidłowe współdziałanie po zmontowaniu, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania, jak również przy zapewnieniu najmniejszych możliwych kosztów tego produktu.

---