PODSTAWY MATERIAŁOZNAWSTWA

Wstęp

1.

Wi

ązania metaliczne (pierwotne między atomami)

- bezkierunkowe, silne, ruchliwy gaz elektronów swobodnych, wysoki stopie

ń upakowania

- Materiały: plastyczno

ść, nieprzezroczystość, połysk metaliczny, dobre przewodnictwo cieplne i

elektryczne, zdolno

ść do emisji termo- i fotoelektronowej.

2.

Wi

ązania jonowe (pierwotne między atomami)

- bezkierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych
- Materiały: du

ża oporność elektryczna i cieplna, przezroczystość, wysoka temperatura topnienia, wysoka

twardo

ść, kruchość.

3.

Wi

ązania kowalencyjne (pierwotne między atomami) (np. diament)

- kierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych, niski stopie

ń upakowania

- Materiały: du

ża oporność elektryczna, przezroczystość, bardzo wysoka temp. topnienia, wysoka twardość,

krucho

ść.

4.

Stan krystaliczny materiału

- atomy lub cz

ąsteczki ułożone są względem siebie w sposób regularny zachowując

przestrzenn

ą symetrię względem punktu, prostej i płaszczyzny,

- ka

żdy atom ma jednakową liczbę najbliższych i równoodległych sąsiadów

(liczba koordynacji - lk ),
- atomy s

ą ułożone w okresowo powtarzających się odstępach w trzech nierównoległych i

nie le

żących w jednej płaszczyźnie kierunkach (sieć krystaliczna)

5.

Stan amorficzny (szklisty) materiału

- stan szklisty jest stanem po

średnim pomiędzy stanem ciekłym a stałym (krystalicznym)

- teoretycznie, gdy szybko

ść ochładzania jest dostatecznie duża, każda ciecz może przejść w stan szklisty

- je

żeli struktura krystaliczna powstaje z trudnością w strukturze przechłodzonej cieczy (z powodu złożonej

konfiguracji cz

ąstek lub zbyt małej ruchliwości atomów i cząsteczek), wówczas lepka ciecz przechodzi stan

szklisty, tzn. twardnieje i sztywnieje bez udziału krystalizacji (wyst

ępuje tylko uporządkowanie bliskiego

zasi

ęgu)

- temperatura, w której lepko

ść cieczy osiągnie wartości około 10

4

-10

6

Nsm

-2

, zwi

ązana z wyraźnym

wzrostem sztywno

ści, nazywana jest temperaturą zeszklenia T

g

- stan szklisty materiału nie jest stanem równowagi (proces krystalizacji został tylko powstrzymany)
- w niektórych materiałach (np. polimery) stan lepkiej cieczy jest oddzielony od stanu szklistego stanem
wysokoplastycznym (kauczukopodobnym) – mniejsza sztywno

ść i odwracalność odkształceń

- przykłady: polimery o ła

ńcuchach ataktycznych, silnie rozgałęzionych, usieciowanych przestrzennie;

nieskrystalizowane ceramiki (szkła); szkła metaliczne

6.

Polimorfizm (alotropia) materiału

- cecha wielu metali: pod wpływem zmian temperatury i ci

śnienia wykazują skłonność do przebudowy sieci

krystalicznej
- odmiany ró

żniące się budową krystaliczną noszą nazwę alotropowych

- odmiany alotropowe cz

ęsto różnią się własnościami fizycznymi, chemicznymi, strukturą i własnościami

wytrzymało

ściowymi

7.

Anizotropia kryształu (monokryształu)

- charakterystyczna cecha kryształów odró

żniająca je od mat. niekrystalicznych: zależność ich własności od

kierunku krystalograficznego, w którym dana własno

ść jest badana

- wi

ąże się z gęstością ułożenia atomów niejednakową we wszystkich kierunkach

- własno

ści anizotropowe: wytrzymałość, twardość, wydłużenie, moduł sprężystości, wł. fizyczne (optyczne,

magnetyczne, elektryczne i cieplne)

8.

Quasi-izotropia polikryształu

- polikryształy składaj

ą się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną

- polikryształy składaj

ą się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną

- przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziaren w metalach polikrystalicznych decyduje o
niemal jednakowych własno

ściach tych materiałów w różnych kierunkach -> quasi-izotropia

- wzrost wielko

ści ziaren znacznie wpływa na zwiększenie anizotropii własności metalu

9.

Tekstura w polikrysztale

- odkształcenia (np. włóknista w drucie, płaska w blasze),
- wzrostu (kryształów w odlewach), - rekrystalizacji,

Defekty punktowe i liniowe w materiałach krystalicznych

10.

Wakans (defekt punktowy) w krysztale

- powstaje w wyniku nieobsadzenia w

ęzła sieci przez atom, wskutek tego sąsiednie atomy przesuwają się w

kierunku pustego miejsca, co wywołuje zniekształcenie sieci i wytwarza pole napr

ężeń rozciągające

- mo

że powstawać samorzutnie w wyniku drgań cieplnych atomów

- ilo

ść (stężenie) wakansów opisuje logarytmiczna funkcja rozkładu Boltzmanna

11.

Odkształcenie plastyczne w metalach

- zmiana zewn

ętrznego kształtu metalu pod wpływem działania sił zewnętrznych bez de kohezji, tj. pęknięć i

rozwarstwie

ń

- dwa mechanizmy: przez po

ślizg i bliźniakowanie

12.

Linie i pasma po

ślizgu w kryształach metali

- linia po

ślizgu: ślad przecięcia się aktywnej płaszczyzny poślizgu z powierzchnią próbki (po wyjściu na nią

dyslokacji); zwykle na powierzchni odkształconego monokryształu obserwuje si

ę dużą ilość blisko

poło

żonych linii poślizgu, które przy obserwacji pod małym powiększeniem zlewają się, tworząc pasmo

po

ślizgu

13.

Płaszczyzny i kierunki łatwego po

ślizgu w sieciach krystalicznych metali

- płaszczyzna łatwego po

ślizgu: płaszczyzna krystalograficzna o największym wypełnieniu atomami

- kierunek po

ślizgu – kierunek krystalograficzny w którym atomy się ze sobą stykają (najgęściej

wypełniony)

14.

Dyslokacja kraw

ędziowa w krysztale

- kraw

ędź ekstra płaszczyzny, tj. półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi

płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej
- w zale

żności od położenia dodatkowej półpłaszczyzny dyslokacje mogą być dodatnie ┴ lub ujemne ┬

- wokół dyslokacji kraw

ędziowej występuje jednocześnie postaciowe i objętościowe odkształcenie kryształu

15.

Dyslokacja

śrubowa w krysztale

- defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem cz

ęści kryształu wokół osi, zwanej

lini

ą dyslokacji śrubowej

- wektor Burgersa b jest równoległy do jej linii
- wokół dyslokacji

śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształcenie sieci krystalicznej

- mog

ą być prawoskrętne i lewoskrętne

16.

Energia dyslokacji

- energia odkształce

ń sprężystych sieci E= α G b

2

(

α – stała zależna od rodzaju dyslokacji, G – moduł

Kirchoffa (stała spr

ężystości materiału), b – wektor Burgersa)

17.

Ruch dyslokacji w krysztale

- po

ślizg (gdy w płaszczyźnie poślizgu występują naprężenia styczne)

- wspinanie (pod wpływem napr

ężeń normalnych do ekstra płaszczyzny) – ruch dyfuzyjny

18.

Spi

ętrzenie dyslokacji przed przeszkodą

- wzrost oporu przeciwko dalszemu po

ślizgowi dyslokacji

19.

Efekt umocnienia w wyniku spi

ętrzenia dyslokacji

- umocnienie – zjawisko wzrostu twardo

ści i wytrzymałości oraz pogorszenie plastyczności

jest wynikiem spi

ętrzeń dyslokacji przed przeszkodami (granice ziaren, wydzielenia innych

faz, krzy

żowanie się aktywnych systemów poślizgu, itd.)

20.

G

ęstość dyslokacji w polikrysztale metalu – wpływ na własności

- całkowita długo

ść linii dyslokacji przypadająca na jednostkę objętości kryształu

- mała g

ęstość: materiał wyżarzony

- du

ża gęstość: materiał silnie zgnieciony – zmniejszone odległości między dyslokacjami – umocnienie (wzrost

wytrzymało

ści i twardości)

Defekty płaskie w materiałach krystalicznych

21.

Granice ziarn (mi

ędzy ziarnami tej samej fazy)

- wewn

ętrzne powierzchnie graniczne oddzielające dwa kryształy o takim samym składzie chemicznym,

ró

żniące się tylko orientacją krystalograficzną

- granice szerokok

ątowe (dużego kąta dezorientacji)

- w tym przypadki szczególne (granice specjalne):

- granice koincydentne,
- granice bli

źniacze,

- granice w

ąskokątowe (małego kąta dezorientacji)

- w

ąskokątowa granica nachylona (daszkowa),

- w

ąskokątowa granica skręcona,

22.

W

ąskokątowa granica ziarn (małego kąta)

- niewielki k

ąt dezorientacji krystalicznej; mają budowę dyslokacyjną

- daszkowe: ł

ączą kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym równoległym do granicy

- skr

ętne: powstają w miejscu połączenia kryształów o wspólnym kierunku sieci prostopadłym do granicy

23.

Energia granic w

ąsko kątowych

- odchylenie poło

żeń atomów w granicy od położeń równowagowych oraz mniejsza liczba atomów

s

ąsiednich ze względu na luźniejsze ułożenie atomów powodują, że atomy w granicy mają podwyższoną

energi

ę – odniesiona do jednostki powierzchni jest nazywana energią granic ziarn

- energia granicy ma malej

ący przyrost ze wzrostem jej kąta dezorientacji

- jest równa sumie energii dyslokacji tworz

ących granicę,

- od pewnej warto

ści kąta Θ (zmniejszenia d) zależność staje się nieliniowa (nakładają się na siebie obszary

odkształce

ń o rożnych znakach),

24.

Szerokok

ątowa granica ziarn (dużego kąta)

- du

ży kąt dezorientacji krystalicznej

- budowa bardzo zło

żona i nie w pełni zbadana

- na granicach ziarn powstaje strefa miejsc koincydentnych tj. jednoczesnych, tworz

ących supersieć

przestrzenn

ą, nakładającą się na sieć przestrzenną sąsiadujących ze sobą ziarn

25.

Energia granic szeroko k

ątowych

- zakłada si

ę, że ich budowa oraz energia nie zależą od kąta Q za wyjątkiem granic specjalnych

(koincydentnych i bli

źniaczych),

- przyjmuje si

ę liczbową odpowiedniość energii granicy σ (skalar) oraz napięcia powierzchniowego g

(wektor),
- siły g d

ążą do skrócenia granicy czyli zmniejszenia energii polikryształu,

- wynosi ok. 500 mJ*m

-2

26.

Bli

źniacze granice ziarn

- szerokok

ątowa granica specjalna

- okre

ślona orientacja obu ziaren,

- idealne sprz

ężenie sieci wzdłuż tej samej płaszczyzny,

- bardzo mała energia granicy (łatwo

ść powstawania),

27.

Energia granic bli

źniaczych

- koherentne granice bli

źniacze ze względu na dobre dopasowanie atomów w granicy charakteryzują się

mał

ą energią wynoszącą od 5 do 20% energii granic szeroko kątowych

- energia niekoherentnych granic bli

źniaczych wynosi ok. 75% energii granic szerokokątowych

28.

Bli

źniakowanie w kryształach

- kolejny mechanizm odkształcania plastycznego metali
- polega na obrocie sieci przestrzennej jednej cz

ęści kryształu względem drugiej w taki sposób, że obie

cz

ęści kryształu przyjmują położenie symetryczne

- wynikiem ko

ńcowym jest przesunięcie względem siebie dwóch części kryształu, ale jest to suma

niewielkich przemieszcze

ń na kolejnych płaszczyznach

29.

Koherentna granica mi

ędzyfazowa (miedzy ziarnami różnych faz)

- maj

ą budowę zbliżoną do granic szeroko kątowych

- koherentne (spójne, sprz

ęrzone): dobre dopasowane sieci sąsiadujących faz

- na granicy nie ma nieprawidłowo

ści w rozmieszczeniu atomów (bardzo mała energia granicy),

- powstaj

ą w początkowych stadiach wydzielania nowej fazy (np. przy starzeniu)

- tylko wtedy gdy wydzielone cz

ąstki są małe i mają płaskie granice

30.

Półkoherentna granica mi

ędzyfazowa

- pojawia si

ę w miarę wzrostu cząstek, ponieważ odległości międzyatomowe w obydwóch fazach nie są

idealnie zgodne

- zwi

ększa się sprężyste naprężenie sieci – powstają dyslokacje które zmniejszają naprężenia, ale zwiększają

energi

ę granicy

31.

Niekoherentna granica mi

ędzyfazowa

- liczne zaburzenia w prawidłowym rozmieszczeniu atomów (budowa podobna do szerokok

ątowych granic

ziaren)
- kształt wydziele

ń zaokrąglony (minimalizowanie energii), w środku ziarna często kulisty, na granicy

soczewkowy

32.

Energia granic mi

ędzyfazowych

- koherentne – bardzo mała energia pracy
- półkoherentne - odkształcenia spr

ężyste: E = 100 mJ/m

2

, dyslokacje dopasowuj

ące: E = 200-500 mJ/m

2

- niekoherentne - energia zbli

żona do energii granic ziarn dużego kąta (E = 1000 mJ/m

2

)

33.

Kształt wydziele

ń drugiej fazy wewnątrz ziarn pierwszej fazy (osnowy),

- kiedy granica jest niekoherentna: kuliste kryształy
- kiedy koherentna: kryształy w kształcie płytek

34.

Kształt wydziele

ń drugiej fazy na granicach ziarn pierwszej fazy

- przyjmuj

ą kształt zapewniający równowagę napięć powierzchniowych

- tworz

ą się soczewkowe kryształy

Rodzaje faz stałych w stopach

35.

Warunki powstawania roztworu stałego podstawowego

- izomorficzno

ść sieci krystalicznej składników A i B

- warunek wielko

ści atomów (różnice poniżej 15%, a często mniej, np. 8% w stopach Fe)

- warunek elektrochemiczny – bliskie s

ąsiedztwo w układzie okresowym (elektroujemność)

- warunek wzgl

ędnej wartościowości (wartościowość musi być równa)

36.

Warunki powstawania fazy po

średniej, np. międzymetalicznej

- struktura krystaliczna faz mi

ędzymetalicznych różni się od struktury każdego ze składników

- atomy ka

żdego ze składników wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalicznej

- w oddziaływaniach mi

ędzy atomami występuje przewaga wiązania metalicznego

- wzajemne stosunki ilo

ściowe atomów składników rzadko odpowiadają wartościowościom chemicznym

pierwiastków, jakie wykazuj

ą one w związkach chemicznych, chociaż fazom można przypisać wzory

podobne do wzorów zwi

ązków chemicznych

37.

Sie

ć krystaliczna w roztworach stałych podstawowych (ogólnie)

Roztwory stałe mo

żna podzielić na:

- ró

żnowęzłowe lub substytucyjne, nazywane tak ze względu na to, że atomy składnika rozpuszczonego

zast

ępują atomy rozpuszczalnika w węzłach jego sieci krystalicznej

- mi

ędzywęzłowe, w których atomy składnika rozpuszczonego zajmują wolne przestrzenie między atomami,

czyli luki mi

ędzywęzłowe w sieci krystalicznej rozpuszczalnika

38.

Sie

ć krystaliczna w fazach pośrednich, np. międzymetalicznych (ogólnie)

- odr

ębność sieci krystalicznej oraz zajmowanie w tej sieci przez atomy składników tylko pewnych

okre

ślonych węzłów

39.

Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w roztworze stałym podstawowym,

- A: atomy metalu rozpuszczalnika, B: atomy pierwiastka rozpuszczonego
- mi

ędzywęzłowe: B są usytuowane w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu A

- ró

żno węzłowe: B zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu A; może dojść do

ekspansji lub kontrakcji sieci

40.

Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w fazie po

średniej, np. międzymetalicznej

- rozmieszczenie atomów ka

żdego ze składników w tej sieci jest uporządkowane

- A mog

ą zajmować węzły zarezerwowane dla B i odwrotnie

- je

śli część węzłów nie jest obsadzona są to roztwory wtórne pustowęzłowe

41.

Własno

ści roztworu stałego podstawowego są wynikiem:

- st

ężenia, typu sieci

42.

Własno

ści fazy pośredniej, np. międzymetalicznej są wynikiem:

- zakresu wyst

ępowania na wykresie równowagi

- rodzaju dominuj

ącego wiązania między atomami

- st

ężenia elektronowego

- stosunku wielko

ści atomów

Wykresy równowagi fazowej

43.

Liczba stopni swobody (reguła faz Gibasa) i jej wpływ na kształt krzywych chłodzenia i nagrzewania

- okre

śla liczbę stopni swobody układu, tzn. liczbę zewnętrznych i wewnętrznych czynników które można

zmienia

ć, nie powodując zmiany liczby faz f w układzie. S = n – f + 1

- stopniami swobody z s

ą parametry określające stan termodynamiczny układu, takie jak temperatura,

ci

śnienie i stężenie składników, które niezależnie mogą ulegać zmianom

- dla układu dwuskładnikowego:

- gdy w stanie równowagi f = 1 -> s = 2 (temperatura i st

ężenie mogą ulegać zmianie)

- gdy w stanie równowagi f = 2 -> s = 1 (temperatura lub st

ężenie może ulegać zmianie)

- gdy w stanie równowagi f = 3 -> s = 0 (temperatura = const, st

ężenie = const)

- stan równowagi w przypadku f > 3 jest niemo

żliwy.

44.

Maksymalna liczba współistniej

ących w równowadze faz w układzie jedno- i dwuskładnikowym

- równowaga czterech i wi

ęcej faz w układach dwuskładnikowych jest niemożliwa

- równowaga trzech faz jest mo

żliwa tylko w jednej stałej temperaturze przy określonym stężeniu

składników w fazach; liczba stopni swobody równa si

ę zeru

- w układach jednoskładnikowych maksymalna liczba współistniej

ących ze sobą faz wynosi 2, tylko w ściśle

okre

ślonej temperaturze, która nie może być zmieniona, gdyż jedna z faz zniknie. S=0

45.

Nieograniczona rozpuszczalno

ść składników stopu w układzie dwuskładnikowym A-B

- wykres składa si

ę z dwóch linii ułożonych na kształt sozewki. Powyżej górnej linii, zwanej likwidusem,

trwały jest roztwór ciekły L, mi

ędzy liniami górną i dolną trwała jest mieszanina roztworu ciekłego i stałego

α, a poniżej dolnej linii zwanej solidusem, trwały jest roztwór stały α. Wykres taki można zbudować na
podstawie krzywych nagrzewana i chłodzenia. Typowy dla stopów Cu-Ni
- drugi typ charakteryzuje si

ę istnieniem minimum na linii likwidus i solidus. Wykresy te charakteryzuje się

podobnie jak bez minimum. Odr

ębnego omówienia wymaga jedynie stop o składzie c

min

. Przy tym składzie

linie likwidus i solidus stykaj

ą się. Układy tego typu tworzą żelazo z chromem i wanadem, miedź ze złotem i

manganem, nikiel ze złotem, palladem lub platyn

ą i inne.

46.

Ograniczona rozpuszczalno

ść składników stopu w układzie dwuskładnikowym A-B,

47.

Wydzielanie fazy drugorz

ędowej (przyczyny, miejsce w strukturze, wpływ na własności)

- Przyczyn

ą powstania jest przekroczenie linii granicznej rozpuszczalności. W stopach bez eutektyki jeko faza

strukturalnie wolna zwykle wyst

ępuje na granicach ziaren. W stopach z eutektyką zwykle nie tworzy nowych

osobnych wydziele

ń lecz tylko pogrubia wydzielenia wcześniej istniejące.

48.

Przemiana eutektyczna w układzie dwuskładnikowym

- ciecz o składzie punktu e (eutektycznego) ulega przy chłodzeniu rozkładowi na mieszanin

ę czystych

składników zwan

ą eutektyką, a przy nagrzewaniu następuje proces odwrotny

- zgodnie z reguł

ą faz przemiana ta przebiega w stałej temperaturze (eutektycznej), gdyż S=0

49.

Eutektyka (definicja, struktura, własno

ści)

- z greckiego „łatwo topliwy”, drobnokrystaliczna mieszanina powstała przez jednoczesn

ą krystalizację

kryształów z cieczy, drobna mieszanina dwóch faz, ma

ściśle określony skład chemiczny i stałą temperaturę

krzepni

ęcia

- drobnoziarnista struktura, co sprzyja wi

ększej jednorodności stopu

- wpływa to korzystnie na własno

ści mechaniczne

- niska temperatura topnienia, dobra lejno

ść, mała tendencja do pękania na gorąco, mają skoncentrowaną

jam

ę skurczową

- s

ą chętnie stosowane w przemyśle odlewniczym, wiele z tych stopów wykazuje własności nadplastyczne

50.

Struktura i własno

ści stopu przedeutektycznego lub zaeutektycznego (układ dwuskładnikowy)

- stop przedeutektyczny (podeutektyczny): struktura: mieszanina pierwotnie wydzielonych du

żych

kryształów metalu A i drobnoziarnista mieszanina eutektyczna metali A i B; st

ężenie c<c

E

; znajduje si

ę w

nich nadmiar kadmu i jego kryształy krystalizuj

ą z cieczy począwszy od punktu 1 aż do temperatury

eutektycznej
- stop zaeutektyczny (nadeutektyczny): struktura: mieszanina pierwotnie wydzielonych du

żych kryształów

metalu B i drobnoziarnista mieszanina eutektyczna metali A i B; st

ężenie c>c

E

; znajduje si

ę w nich nadmiar

bizmutu w stosunku do stopu eutektycznego, krzepni

ęcie rozpoczyna się od wydzielenia się z cieczy

kryształów tego składnika

Przemiany fazowe

51.

Energia swobodna F (Hemholtza) – uniwersalne kryterium równowagi

- w przypadku równowagi w dowolnym układzie, w którym temperatura i obj

ętość są ustalone, funkcja

energii swobodnej Helmholtza F, zwana tak

że potencjałem termodynamicznym, osiąga swoje minimum:

F = E – TS (E – energia wewn

ętrzna, T – temperatura bezwzględna, S – entropia)

- kryterium równowagi to osi

ągnięcie minimalnej F, tzn. każdy układ dąży do jak największej E (jak

najsilniejsze siły oddziaływania mi

ędzy atomami, cząstkami) i jak najwyższej S (jak najmniejsze

uporz

ądkowanie)

52.

Energia wewn

ętrzna E w wyrażeniu na energię swobodną

- suma energii potencjalnej, tj. energii wzajemnego oddziaływania, i energii kinetycznej wszystkich atomów
układu. W kryształach znaczna cz

ęść energii wewnętrznej wiąże się z drganiami atomów w sieci. Amplituda

drga

ń wzrasta wraz z podwyższeniem temperatury, powodując wzrost energii wewnętrznej ∆E:

∆E = ∆Q + ∆L (∆Q – przyrost ciepła, ∆L – przyrost pracy)

53.

Człon TS w wyra

żeniu na energię swobodną (druga zasada termodynamiki)

- natura d

ąży ze stanów mniej prawdopodobnych (mniej powszechnych, o mniejszej liczbie możliwych

rozmieszcze

ń, bardziej uporządkowanych) do stanów bardziej prawdopodobnych, tzn. o większej entropii

(mniej uporz

ądkowanych, bardziej powszechnych)

54.

Warunek konieczny przemiany fazowej, np. krzepni

ęcia

- przechłodzenie cieczy
- powstanie w cieczy zarodków krystalizacji
- ro

śnięcie tych zarodków i powstanie krystalitów

55.

Wielko

ść krytyczna zarodka (zarodkowanie jednorodne) zależy od:

- przechłodzenia (ze wzrostem przechłodzenia maleje promie

ń zarodka krytycznego)

56.

Energia aktywacji przemiany (konieczna do pokonania bariera energetyczna)

- energia potrzebna do utworzenia zarodka krytycznego
- oddziela stan ciekły od stanu krystalicznego o mniejszej energii swobodnej
- im wi

ększe przechłodzenie, tym mniejsza jest energia potrzebna do utworzenia zarodka

57.

Szybko

ść zarodkowania (LZ) – dlaczego krzywa LZ = f(

∆

T) ma maksimum

-

ܮܼ = ܣ exp ቀ−

∆ி

ೖೝ

ோ்

ቁ ∙ exp (−

∆ா
ோ்

)

- na wykresie czynnik pierwszy ro

śnie ze wzrostem przechłodzenia począwszy od zera w teoretycznej

temperaturze krystalizacji (

∆F

kr

=

∞)

- drugi czynnik maleje ze spadkiem temperatury, bo

∆E jest stałe, a mianownik RT maleje. Ruchliwość

atomów maleje, a lepko

ść cieczy szybko rośnie utrudniając i następnie uniemożliwiając powstawanie

zarodków. W niskich temperaturach drugi czynnik staje si

ę praktycznie równy zeru

- liczba zarodków b

ędzie się zatem zmieniała w ten sposób, że w pewnej temperaturze niższej niż T

0

wyka

że

maksimum

58.

Kiedy zachodzi przypadek zarodkowania niejednorodnego

- gdy w o

środku ciekłym istnieją nierozpuszczone cząstki fazy stałej na której może się osadzać faza

macierzysta

59.

Warunek aktywno

ści (katalitycznego działania) podkładki

-

σ

PS

<

σ

SL

-

ܿ݋ݏߠ =

ఙ

ಽು

ିఙ

ುೄ

ఙ

ೄಽ

-

σ – energia powierzchni granicznej między: LP – cieczą i podkładką (ciałem obcym), PS – podkładką i

powstaj

ącym kryształem, SL – powstającym kryształem i cieczą

60.

Modyfikowanie przemian fazowych – dwa sposoby działania modyfikatorów

- wprowadzenie do skrzepni

ętych metali w stanie ciekłym, substancji zapewniających powstanie

odpowiednio aktywnych cz

ąstek np. tlenków, azotków, węglików

- wprowadzenie niektórych pierwiastków, które nie tworz

ą trudno topliwych cząstek lecz rozpuszczają się w

ciekłym metalu. Podczas krystalizacji atomy tych pierwiastków gromadz

ą się na powierzchniach

granicznych ciecz-ciało stałe i zmieniaj

ą energię powierzchniową. Są stosowane szczególnie w celu zmiany

kształtu ziarn w stopach dwufazowych)

61.

Liniowa szybko

ść wzrostu kryształu (drugi etap krystalizacji) zależy od:

- prawdopodobie

ństwa powstania płaskiego zarodka, a tym samym od częstości zarodkowania

- obecno

ści dyslokacji śrubowej

- przechłodzenia

62.

Parametry i kształt krzywej kinetyki krystalizacji

- kształt litery S
- ma ró

żne nachylenie w zależności od przechłodzenia

- to funkcja stopnia przemiany od czasu

63.

Od jakich parametrów i czynników zale

ży wielkość ziarna po krystalizacji

- rozmiar ziarn jest wprost proporcjonalny do szybko

ści wzrostu, a odwrotnie proporcjonalny do liczby

zarodków

64.

Krystalizacja dendrytyczna zachodzi gdy:

- gradient temperatury w cieczy jest ujemny
- na granicy mi

ędzyfazowej powstanie jakaś wypukłość

65.

Segregacja dendrytyczna polega na
- zró

żnicowaniu składu chemicznego wewnątrz jednego dendrytu

- powstaje podczas krystalizacji stopów i nasila si

ę w miarę wzrostu odległości między likwidusem a solidusem

Układ żelazo-cementyt

66.

Odmiany alotropowe czystego

żelaza

-

α, w temp niższej od 912st.C. i między 1394-1538st.C.; krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej

układu regularnego A2; w temp ni

ższej niż 770st.C jest ferromagnetyczne, a w wyższej paramagnetyczne

-

γ, w temp 912-1394 st.C.; o sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1

67.

Ferryt – rodzaj fazy stałej, sie

ć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe

3

C

-

α=Fe

α

(C) - roztwór stały w

ęgla w żelazie o strukturze A2 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

- atomy w

ęgla zajmują luki oktaedryczne w przestrzennie centrowanej, regularnej sieci żelaza α

- mała zawarto

ść węgla, własności bardzo zbliżone do czystego żelaza : wytrzymałość na rozciąganie (R

m

) 300MPa,

granica plastyczno

ści (R

0,2

) 150MPa, wydłu

żenie (A

10

) 40%, udarno

ść (K) 1765 kJ/m

2

, twardo

ść 90HB

- wyst

ępowanie na wykresie: do temp 910 i między 1391 do 1536

68.

Austenit – rodzaj fazy stałej, sie

ć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe

3

C

-

γ = Fe

γ

(C) -

roztwór stały w

ęgla w żelazie o strukturze A1 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

-w regularnej płasko centrowanej sieci

żelaza γ węgiel zajmuje luki oktaedryczne

- rozpuszczalno

ść węgla jest większa niż w ferrycie i wynosi w temp. 1147 – 2,06% i maleje wraz z obniżeniem

temperatury
-własno

ści: wytrzymałość na rozciąganie (R

m

) 750MPa, granica plastyczno

ści (R

0,2

) 350MPa, wydłu

żenie (A

10

) 40-

60%, udarno

ść (K) 900 kJ/m

2

, twardo

ść 180-200HB

- jest paramagnetyczny
- na wykresie wyst

ępuje od temp. 910 do 1391 przy osi, następnie od 700 do 1495 przy większej zawartości węgla

69.

Cementyt – rodzaj fazy stałej, sie

ć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe

3

C,

- Fe

3

C -

metastabilny w

ęglik żelaza (faza pośrednia, międzymetaliczna, międzywęzłowa złożona)

- w skład komórki elementarnej wchodzi 12 atomów

żelaza i 4 atomy węgla

- krystalizuje w sieci rombowej o stałych sieciowych a=0,45144nm, b=0,50787nm i c=0,67297nm
- faza twarda (800HB) i krucha, wykazuje wiele cech metalicznych w tym metaliczny połysk (bo przewa

żają wiązania

metaliczne)
- w temp otoczenia jest słabo ferromagnetyczny; ma zdolno

ść rozpuszczania wielu metali, np. manganu, chromu

70.

Przyczyna wydzielania si

ę cementytu trzeciorzędowego – zakres występowania jako fazy strukturalnie wolnej

- malej

ąca z obniżeniem temperatury rozpuszczalność węgla w żelazie Fe-α wzdłuż linii PQ

- najwi

ęcej cementytu trzeciorzędowego może się wydzielić w stopie zawierającym 0,0218% C, ale jego

ilo

ść jest mała, wynosi 0,2%

71.

Przemiana alotropowa (temperatura A

3

) w stopach układu Fe-Fe

3

C

- stop III podobnie jak wszystkie stopy zawieraj

ące mniej niż 0,1% węgla jest zbudowany po skrzepnięciu z

samych kryształów ferrytu

δ. W ferrycie tym począwszy od punktu 7 rozpoczyna się przemiana alotropowa i

powstaj

ący austenit ma skład punktu 7”. W miarę dalszego obniżania temperatury przybywa austenitu a

ubywa ferrytu

δ. Jednocześnie wskutek większej rozpuszczalności węgla w austenicie dyfunduje on z ferrytu

do austenitu, a jego st

ężenie w ferrycie δ zmniejsza się wzdłuż linii HN od punktu 7 do 8’. W austenicie

zawarto

ść węgla zmienia się wzdłuż linii JN od punktu 7” do 8. Przemiana Fe

δ

(C) -> Fe

γ

(C) ko

ńczy się w

punkcie 8. (rys. 172 str. 221, Haimann)

72.

Przemiana eutektoidalna (temperatura A

1

) w stopach układu Fe-Fe

3

C

- przebiega zgodnie ze wzorem

γ

S

=

α

P

+ Fe

3

C

- oznacza to,

że przy chłodzeniu austenit o składzie punktu S (0,77% C) ulega rozkładowi na mieszaninę

eutektoidaln

ą ferrytu α o składzie punktu P (0,0218% C) i cementytu, zwaną perlitem

- przemiana ta wyst

ępuje we wszystkich stopach o zawartości węgla wyższej od punktu P- także austenit w

ledeburycie przemienia si

ę w perlit i powstaje ledeburyt przemieniony. (rys 10.2 str.199, Przybyłowicz)

73.

Perlit – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własno

ści

- eutektoid zło

żony z ferrytu i cementytu

-powstaje z austenitu w temp eutektoidalnej (727st.C.)
-jest zbudowany z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubo

ści 7:1

-dyspersja perlitu (odl. mi

ędzy płytkami) jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia

wzgl

ędem temp A1

- własno

ści mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji, tzn. wytrzymałość i twardość rosną w miarę

rozdrabniania struktury i wynosz

ą: R

m

=700-800 MPa, R

e

=400MPa, twardo

ść ok. 180-220 HB, a własności

plastyczne malej

ą: A

10

=8% i udarno

ść KC=40 J/cm

2

- pod mikroskopem przy małych powi

ększeniach, po trawieniu nitalem perlit przybiera wygląd szarych,

perlistych obszarów, co było przyczyn

ą jego nazwy

- przy wi

ększych powiększeniach widoczna jest wyraźnie budowa płytkowa

74.

Struktura i własno

ści stopu (stali) zawierającej 0,01 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+Fe

3

C

III

- ferryt z wydzieleniami Fe

3

C

III

na granicach ziaren

- stal konstrukcyjna najcz

ęściej umacniana odkształceniowo, np. gwoździe, wkręty, elementy karoserii

pojazdów itp.
- przy

śpieszone chłodzenie zabezpiecza zwykle przed wydzieleniami cementytu – ferryt lekko przesycony

w

ęglem

75.

Struktura i własno

ści stopu (stali) zawierającej 0,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+perlit
- zdecydowana przewaga udziału ferrytu nad perlitem
- wysoka ci

ągliwość ale niska wytrzymałość

- górna granica %C zapewniaj

ąca łatwą spawalność stali

- struktura stali konstrukcyjnych (łatwo spawalnych)
(podwy

ższanie wytrzymałości w inny sposób niż przez wzrost %C)

76.

Struktura i własno

ści stopu (stali) zawierającej 0,4 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+perlit
- około pół na pół strukturalnie wolnego ferrytu i perlitu
- optymalne skojarzenie wytrzymało

ści i ciągliwości

- struktura wyj

ściowa stosowana na części maszyn

77.

Struktura i własno

ści stopu (stali) zawierającej 0,6 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit+ferryt
- strukturalnie wolny ferryt (na granicach ziaren byłego austenitu) podwy

ższa ciągliwość oraz zdolność do

odkształce

ń plastycznych i obniża wskaźniki wytrzymałościowe

- struktura wyj

ściowa na sprężyny, lemiesze pługów, szyny kolejowe, itp.

78.

Struktura i własno

ści stopu (stali) zawierającej 0,8 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit (stal przeznaczona zwykle na narz

ędzia po dalszej obróbce cieplnej)

- płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu (grubo

ści płytek 7:1)

- dyspersja i wła

ściwości zależą od szybkości chłodzenia

- w jednym ziarnie austenitu powstaje bardzo wiele ró

żnie zorientowanych w przestrzeni kolonii perlitu

- własno

ści: patrz perlit

79.

Struktura i własno

ści stopu (stali) zawierającej 1,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit+Fe

3

C

II-

(stal zaeutektoidalna, przeznaczona zwykle na narz

ędzia, ale po odpowiedniej obróbce

cieplnej stanu wyj

ściowego i końcowego

- Fe

3

C

II

wydziela si

ę na granicach ziaren austenitu oraz może utworzyć ciągłą i kruchą otoczkę (siatkę)

- siatka cementytu dyskwalifikuje ka

żdy użytkowy wyrób

- usuwanie siarki cementytu wymaga długotrwałego wy

żarzania sferoidyzującego (wydzielenia kulkowe

Fe

3

C)

80.

Przemiana eutektyczna (temperatura 1147

o

C) w stopach układu Fe-Fe

3

C

- zachodzi przy temp 1147st.C., w stopach zawartych mi

ędzy punktami E (2,11% C) i F (6,67% C)

- polega na tym,

że przy chłodzeniu roztwór ciekły o składzie C (4,3%) ulega rozkładowi na mieszaninę

eutektyczn

ą złożoną z austenitu o składzie punktu E i cementytu, zwaną ledeburytem

- wzór: L

C

=

γ

E

+ Fe

3

C

81.

Ledeburyt – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje)

- mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu
- powstaje z roztworu ciekłego o zawarto

ści 4,3% C

- składnik surówek (

żeliw) białych

- znaczna twardo

ść (ok. 450HB) i kruchość

- wyst

ępuje w niektórych narzędziowych stalach stopowych

82.

Ledeburyt przemieniony – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własno

ści

- mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu z ledeburytu w perlit, trwała
poni

żej temperatury 727st.C.

- składa si

ę z dwóch faz, ferrytu (35% masy) i cementytu

- 40% perlitu i 60% Fe

3

C

- ze wzgl

ędu na znaczny udział cementytu, jest kruchy i twardy, a ego twardość wynosi orientacyjnie

powy

żej 450HB

83.

Struktura i własno

ści żeliwa białego przedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- stop podeutektyczny (ok. 3,5% C) w temp<727st.C.
- dendrytycznie rozło

żony perlit (dendryty austenitu powyżej 727st.C.) na tle ledeburytu przemienionego

(cementyt drugorz

ędowy wyraźnie pogrubia cementyt eutektyczny wokół dendrytów byłego austenitu

- własno

ści: struktura twarda (450-600HB, R

m

=300-450MPa), odporna na

ścieranie ale krucha oraz źle

obrabialna
- zastosowanie ograniczone: półprodukt przy wytwarzaniu

żeliwa ciągliwego (z grafitem klaczkowym)

Niektóre elementy odporne na

ścieranie ale kruche

Zabielone fragmenty powierzchni odlewów z

żeliw szarych (część węgla w

postaci grafitu)

84.

Struktura i własno

ści żeliwa białego eutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- stop eutektyczny (4,3% C) – ledeburyt przemieniony ( w temp<727st.C.)
- ciemny perlit, który powstał z austenitu (składnika ledeburytu)
- jasny cementyt (drugi składnik ledeburytu)
- wydzielaj

ący się cementyt drugo- i trzeciorzędowy nie tworzy osobnych, strukturalnie wolnych wydzieleń

(lokalnie pogrubiaj

ą się już wcześniej istniejące wydzielenia cementytu)

- własno

ści: jak przedeutektyczne

85.

Struktura i własno

ści żeliwa białego zaedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

- stop nadeutektyczny (powy

żej 4,3% C) w temp<727st.C.

- cementyt pierwszorz

ędowy (pierwotny) na tle ledeburytu przemienionego (niewielka ilość cementytu

drugorz

ędowego oraz znikoma trzeciorzędowego – praktycznie niewidoczne)

- du

że płytki kruchego cementytu pierwotnego uniemożliwiają zastosowanie takiego żeliwa

- struktura spotykana w surówkach na wst

ępnych etapach produkcji stopów żelaza

Ż

eliwa z grafitem (żeliwa szare)

86.

Grafit i jego wpływ na wła

ściwości żeliw – porównanie wpływu kształtu wydzieleń grafitu

- grafit jest odmian

ą alotropową węgla, która krystalizuje warstwowo w sieci typu heksagonalnego

- własno

ści mechaniczne są bardzo małe i z tego względu jego wydzielenia w żeliwie można traktować jako

nieci

ągłości osnowy metalowej, w której są rozmieszczone. Mimo że osnowa ta wykazuje podobne

mikrostruktury jak stale, to własno

ści mechaniczne żeliw są z reguły mniejsze. Zależą one w dużej mierze od

postaci w jakiej wyst

ępuje grafit oraz od sposobu rozmieszczenia jego wydzieleń.

- płatki: zmniejszaj

ą efektywny przekrój i zwiększają średnią wartość naprężeń rzeczywistych i to tym

silniej, im płatki s

ą cieńsze i dłuższe; wokół płatków grafitu następuje spiętrzenie naprężeń; żeliwo szare z

grafitem płatkowym wykazuje niewielk

ą wytrzymałość na rozciąganie R

m

i bardzo mał

ą plastyczność

(0,5%); podobnie zmieniaj

ą się te własności, przy których występują naprężenia rozciągające; w wypadku

napr

ężeń ściskających wpływ grafitu i postaci jego wydzieleń jest niedostrzegalny; wytrzymałość na

rozci

ąganie: korzystniejszy jest grafit płatkowy w postaci krótkich, grubych wydzieleń

- kłaczki: jeszcze korzystniejszy z punktu widzenia wytrzymało

ści na rozciąganie – jego wydzielenia są

bardziej zwarte, a przez to bardziej oddalone od siebie
- kulki: najkorzystniejsze; taka posta

ć grafitu mało zmniejsza przekrój osnowy metalowej, a w dodatku

prawie zanika działanie karbu
- im mniej jest wydziele

ń grafitu, im są one mniejsze i bardziej oddalone od siebie, tym większa jest

wytrzymało

ść żeliwa szarego

87.

Modyfikowanie

żeliw z grafitem - cel stosowania oraz grupy i działanie modyfikatorów (ogólnie)

-

żeliwa gatunków Z1250, Z1300, Z1350 i Z1400 zawdzięczają większą wytrzymałość na rozciąganie

modyfikowaniu, w wyniku którego grafit wyst

ępuje w postaci drobnych płatków, równomiernie rozłożonych

w perlitycznej osnowie metalowej
- modyfikatory wprowadza si

ę do żeliwa ciekłego na rynnę spustową lub do kadzi, tak by się możliwie

szybko rozpu

ściły

- działanie:

- mog

ą one tworzyć związki spełniające rolę niejednorodnych zarodków, na których

krystalizuje grafit

- ich atomy mog

ą gromadzić się na powierzchni międzyfazowej i hamować rośnięcie grafitu

- modyfikowanie wpływa korzystnie na wytrzymało

ść żeliw, gdyż płatki grafitu są niedługie, dość grube, a

ich ko

ńce są tępe; modyfikatory tworzą bowiem nie tylko zarodki, ale w pewnym stopniu hamują także

wzrost płatków grafitu
- najcz

ęściej stosowany w kraju modyfikator: krzem w postaci żelazokrzemu zawierającego ok. 75% Si,

który dodaje si

ę w postaci rozdrobnionej, często łącznie z aluminium; lepsze: stopy krzemu i wapnia

zawieraj

ącego do 25% Ca (droższe i trudne do magazynowania)

88.

Steadyt (eutektyka fosforowa) – budowa, wpływ na własno

ści

- fosfor zawarty w

żeliwach rozpuszcza się częściowo w trwałym w danych warunkach roztworze stałym, tj.

w austenicie lub ferrycie, ale wi

ększa jego część zawarta jest w potrójnej eutektyce fosforowej

[Fe

α

(C)+Fe

3

C+Fe

3

P] zwanej steadytem

- eutektyka ta ma stosunkowo nisk

ą temperaturę krzepnięcia (953st.C.) -> dzięki temu żeliwa o większej

zawarto

ści fosforu (>0,5%) są rzadkopłynne i dobrze wypełniają skomplikowane formy

- wykazuje charakterystyczne, wkl

ęsłe granice w kształcie łuków

- gdy zawarto

ść fosforu jest mała, wtedy występuje w postaci izolowanych wtrąceń, ale gdy zawartości

fosforu s

ą większe niż 0,7%, tworzą dobrze ukształtowaną siatkę

- ze wzgl

ędu na twardość fosforku żelaza i cementytu, eutektyka jest twarda (700-800HB) i krucha

89.

Wpływ osnowy ferrytycznej na własno

ści żeliw z grafitem (przy tej samej postaci grafitu)

- twardo

ść: 115-150HB, wydłużenie 0,5%

90.

Wpływ osnowy perlitycznej na własno

ści żeliw z grafitem (przy tej samej postaci grafitu)

- najlepsze własno

ści mechaniczne, największa wytrzymałość

- twardo

ść: 220-240HB, wydłużenie 0,2%

91.

Wpływ zawarto

ści węgla i krzemu na grafityzację i osnowę metaliczną żeliw z grafitem

- ze wzrostem zawarto

ści węgla polepsza się lejność żeliw, tj. zdolność do wypełniania form i maleje skurcz;

jednocze

śnie zwiększa się skłonność do wydzielania się węgla w postaci grafitu – ma to wyraźny wpływ na

własno

ści mechaniczne, ale polepsza się skrawalność, zwiększają własności ślizgowe i zdolność do

tłumienia drga

ń; ma właściwości grafityzujące silniejsze niż krzem

- krzem ma bardzo du

ży wpływ na grafityzację i sprzyja występowaniu węgla w postaci wolnej – grafitu;

rozszerza on zakres temperatur, w którym grafit mo

że się wydzielać bezpośrednio z cieczy; wzrost

zawarto

ści krzemu w żeliwie powoduje zmniejszenie się ilości węgla związanego, a przez to zmianę

struktury osnowy metalowej (rys. 198 str. 272, Haimann)

92.

Wpływ grubo

ści ścianki odlewu (tzn. szybkości chłodzenia) na strukturę żeliw z grafitem

- zale

żnie od szybkości chłodzenia grafit może być bardzo drobny – punktowy, może tworzyć

charakterystyczne gwiazdkowe skojarzenia płatków lub by

ć rozmieszczony międzydendrytycznie

- w miar

ę wzrostu grubości ścianek i zmniejszania się szybkości chłodzenia grafit będzie płatkowy, coraz

dłu

ższy i grubszy, a w osnowie metalowej będzie wzrastać udział ferrytu (rys. 201 str. 275, Haimann)

93.

Porównanie własno

ści żeliw z grafitem (płatkowym lub sferoidalnym) z własnościami stali i staliwa

-

żeliwa sferoidalne: R

m

=350-900 MPa, R

e

=220-600MPa, twardo

ść 150-360HB

- staliwa konstrukcyjne: R

m

=450-1300 MPa, R

e

=200-340MPa, twardo

ść 120-600HB

- staliwa stopowe: R

m

=400-650 MPa, twardo

ść 150-350HB

Stopy aluminium
94.

Aluminium i jego stopy w porównaniu z

żelazem i stopami żelaza charakteryzuje się:

(porównanie temperatury topnienia, g

ęstości, modułu Younga, wytrzymałości, odporności na korozję, itp.)

- temp topnienia 606,4st.C. (dla

żelaza 1535st.C.), gęstość 2,4g/cm

3

(3 razy mniejsza ni

ż żelaza), moduł

Younga 70GPa (dla

żelaza 208GPa), wytrzymałość R

m

=45MPa, max w stopach 750MPa (

żelazo:

R

m

=70Mpa, max w stopach 2500MPa), du

ża odporność na korozję

95.

Podwy

ższanie wytrzymałości w stopach Al do obróbki plastycznej nie utwardzanych wydzieleniowo

- mangan w niewielkim stopniu polepsza własno

ści mechaniczne (zawartość w stopie ok. 1,5%)

- magnez polepsza wytrzymało

ść, nie zmniejszając zbytnio plastyczności

96.

Idea metody utwardzania wydzieleniowego stopów Al do obróbki plastycznej polega na:

- przesycaniu – maj

ącego na celu otrzymanie przesyconego roztworu stałego. Dokonuje się przez nagrzanie

stopu powy

żej linii zmiennej rozpuszczalności i szybkie oziębianie w wodzie

- starzeniu – wytrzymaniu przesyconego elementu w temp pokojowej (starzenie naturalne lub samorzutne)
albo podwy

ższonej (starzenie przyspieszone) w czasie potrzebnym do wydzielenia dyspersyjnych cząstek

(rys 15.7 i 15.8, str.363-4, Przybyłowicz)

97.

Wytrzymało

ść i ciągliwość stopów odlewniczych Al-Si (siluminów) zależy od

- rodzaju (podeutektyczne, eutektyczne, nadeutektyczne) – wi

ększą ciągliwość mają podeutektyki, eutektyki

maj

ą zmniejszone właściwości mechaniczne

- modyfikacji (dodatek sodu, fosforu, strontu zwi

ększa wytrzymałość i wydłużenie)

- dodatek magnezu i miedzi umo

żliwia stosowanie utwardzania wydzieleniowego drogą przesycenia i

starzenia

98.

Struktura i własno

ści siluminów eutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si)

- punkt eutektyczny: 11,7% krzemu, 577st.C.
- mieszanina roztworu stałego

α i kryształów krzemu, ale jest gruboziarnista, a w osnowie roztworu stałego

s

ą rozmieszczone iglaste kryształy krzemu

- maksymalna rozpuszczalno

ść krzemu w aluminium wynosi 1,65% i szybko maleje ze spadkiem

temperatury
- zmienna rozpuszczalno

ść stwarza możliwość obróbki cieplnej tych stopów, ale jej efekty są niewielkie;

dwuskładnikowych siluminów nie obrabia si

ę cieplnie

- niewielkie własno

ści mechaniczne: R

m

=140-160MPa, wydłu

żenie 3%

99.

Struktura i własno

ści siluminów przedeutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si)

- zawieraj

ą 4-10% krzemu oraz dodatki miedzi, magnezu i manganu

- składaj

ą się z pierwotnych kryształów roztworu stałego α na tle eutektyki

100.

Struktura i własno

ści siluminów zaeutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si)

- du

że, wielokątne kryształy pierwotne krzemu, które są rozmieszczone w eutektyce z iglastymi kryształami

krzemu
- mała wytrzymało

ść, mała rozszerzalność cieplna, dobra odporność na ścieranie i mały współczynnik tarcia;

ich własno

ści wytrzymałościowe w podwyższonych temperaturach są dość dobre

101.

Modyfikowanie siluminów przedeutektycznych ma na celu:
- obni

żenie temperatury przemiany eutektycznej oraz przesunięcie punktu eutektycznego w prawo ku

wy

ższej zawartości krzemu (ok. 13%)

- w wyniku tego R

m

ro

śnie z 110 do 250MPa, a wydłużenie z 1% do 8%

102.

Stopy Al z miedzi

ą jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

- dobra lejno

ść, stosunkowa niska wytrzymałość

103.

Stopy Al z magnezem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:
- dobre własno

ści wytrzymałościowe i plastyczne (R

m

=280MPa, A

5

=8%), niezbyt dobra lejno

ść, ale nadaje

si

ę na odlewy ciśnieniowe

- du

ża odporność na działanie wody morskiej

104.

Stopy Al z cynkiem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:
(dural cynkowy)
- osi

ąga jeszcze wyższą wytrzymałość niż durale bezcynkowe (R

m

=600-700MPa, R

e

=500-550MPa, A

5

=12%,

twardo

ść 150HB), temp przesycenia wynosi 470st.C., a starzenia 120-140st.C.

105.

Stopy Al z litem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:
- mniejsza g

ęstość stopów o ok. 8-10%

- wytrzymało

ść równa lub większa w porównaniu z duralami klasycznymi

- dobra odporno

ść na zmęczenie, dobra udarność w niskich temperaturach

Polimery

106.

Makrocz

ąsteczka polimeru o strukturze liniowej

- silne wi

ązania kowalencyjne w łańcuchu

- mi

ędzy łańcuchami słabe wiązania wtórne

- s

ą termoplastyczne, dają się łatwo wciągać w

wysokowytrzymałe włókna, jak np. poliamidy

- polietylen, polichlorek winylu, polipropylen oraz polistyren
- ci

ągliwe i elastyczne, ze wzrostem temperatury miękną

- rozpuszczaj

ą się w organicznych rozpuszczalnikach, można je łatwo utylizować przez przetopienie i

ponowne uformowanie
- ze wzrostem stopnia polimeryzacji (długo

ści łańcuchów) wytrzymałość i ich temperatura mięknięcia

wzrasta

107.

Makrocz

ąsteczka polimeru o strukturze rozgałęzionej

- ła

ńcuchy rozgałęzione, ale między nimi nadal tylko słabe

wi

ązania wtórne

- struktura po

średnia między liniowymi a usieciowanymi

- rozgał

ęzienie zmniejsza tendencję do krystalizacji i

zapobiega g

ęstemu upakowaniu łańcuchów, a więc

powoduje obni

żenie wytrzymałości polimerów

- zast

ąpienie atomów wodoru w łańcuchu grupami atomów (metyl, benzen) prowadzi do zwiększenia

wytrzymało

ści polimeru; zastąpienie atomów wodoru atomami fluoru (teflon) zwiększa temperaturę

topnienia

108.

Makrocz

ąsteczka polimeru i strukturze przestrzennie usieciowanej

- amorficzne i kruche

- silne wi

ązania kowalencyjne również między łańcuchami

- powstaj

ą z monomerów, mających więcej niż dwa

aktywne wi

ązania, w wyniku czego powstają cząsteczki

dwu- lub trójwymiarowe
- utworzona w ten sposób silna struktura zapobiega
mi

ęknięciu tych materiałów podczas podgrzewania i

decyduje o tym,

że stanowią polimery utwardzalne (duroplasty)

-

żywice: fenolowo-formaldehydowa (bakelit), epoksydowa i poliestrowa

109.

Polimer w stanie amorficznym (bezpostaciowym)
- wi

ększość polimerów ma taką strukturę

- długie cz

ąsteczki są pozwijane podobnie jak kawałki sznurka znajdujące się w worku

110.

Polimer w stanie krystalicznym (cz

ęściowo krystalicznym)

- wi

ększa gęstość, wyższa temperatura topnienia i wytrzymałość, mniejsza przezroczystość

111.

Polimery termoplastyczne (termoplasty)
- polistyren, poliamidy alifatyczne (np. nylon), PCW, polimetakrylan metylu, polietylen, polipropylen,
policzterofluoroetylen, polioctan winylu i azotan celulozy, kopolimery
- liniowa, a niekiedy równie

ż rozgałęziona budowa makrocząsteczek; między cząsteczkami nie ma wiązań

sieciuj

ących – działają tylko słabe wiązania wtórne

- zmiana własno

ści termoplastów przy wzroście temperatury: podczas ogrzewania miękną i płyną jak lepka

ciecz, po ochłodzeniu twardniej

ą ponownie

- mo

żna je łatwo i wielokrotnie formować

- s

ą rozpuszczalne

112.

Duroplasty (chemo- lub termoutwardzalne)
- s

ą wytwarzane w dwóch etapach: najpierw wytwarza się cząsteczki liniowe, a następnie, po uformowaniu

wyrobu, doprowadza si

ę do powstania między cząsteczkami kowalencyjnych wiązań sieciujących

- tworzenie takich wi

ązań jest możliwe dzięki istnieniu w cząsteczkach linowych wiązań podwójnych lub

grup funkcyjnych, przy czym mo

że ono zachodzić bezpośrednio lub za pośrednictwem utwardzacza.

- utwardzanie duroplastów nast

ępuje w wyniku powstawania wiązań sieciujących, zatem utwardzone

duroplasty s

ą nierozpuszczalne, a po ogrzaniu nie przechodzą w stan ciekły, lecz przy nadmiernym ogrzaniu

nast

ępuje ich rozkład

Kompozyty o osnowie polimerowej

113.

Porównanie własno

ści włókien szklanych oraz włókien węglowych

- Szkło E: E=76-79 GPa, R

m

=3100-3800 MPa, wydłu

żenie 4,8%, max temperatura pracy 500st.C.

- szkło S: E=88-91 GPa, R

m

=4400 MPa, wydłu

żenie 5,7%, max temperatura pracy 750st.C.

- kwarc: E=69 GPa, R

m

=3400 MPa, wydłu

żenie 5%, max temperatura pracy 1050st.C.

- włókna w

ęglowe: Panex: E=228 GPa, R

m

=3600 MPa, wydłu

żenie 1,5%, max temperatura pracy 500st.C.

Torayca: E=294 GPa, R

m

=7100 MPa, wydłu

żenie 2,4%, max temperatura pracy 500st.C.

Thornel: E=966 GPa, R

m

=3100 MPa, wydłu

żenie 0,3%, max temperatura pracy 500st.C.

114.

Porównanie modułu Younga stali, stopów Al, włókien szklanych i w

ęglowych

- stale: 190-210 GPa
- stopy Al: 69 GPa
- włókno szklane: 69-91 GPa
- włókno w

ęglowe: 228-966 GPa

115.

Porównanie własno

ści kompozytów wzmacnianych włóknami krótkimi oraz ciągłymi

- wytrzymało

ść kompozytu rośnie ze wzrostem stosunku l/d

- im mniejsza

średnica, tym większa wytrzymałość

- długie włókna s

ą korzystne, gdyż końce włókien przenoszą mniejsze obciążenia

- krytyczna długo

ść włókna do średnicy:

݈

௞

=

ோ

೘

ೢ

ௗ

ఛ

ೖ

, gdzie

ܴ

௠

௪

- wytrzymało

ść na rozciąganie włókien,

߬

௞

-

wytrzymało

ść wiązania między włóknem a osnową lub naprężenie przy którym następuje odkształcenie

plastyczne osnowy
- ze wzrostem długo

ści włókna umocnienie kompozytu staje się bardziej efektywne, gdyż rośnie odcinek

włókna przenosz

ący obciążenie maksymalne

- włókna o długo

ści mniejszej niż

݈

௞

s

ą nieefektywne

116.

Porównanie cech kompozytów o osnowie termoplastycznej oraz duroplastycznej (wzmocnienia włóknami)
- termoplastyczne: wzmocnienie krótkim włóknem szklanym; wzmocnienie cz

ąstkami napełniaczy

mineralnych (np. kulki szklane); wzmocnienie mieszane

117.

Formowanie kompozytów metod

ą BMC (bulk molding compounds)

- wzmocnienie ci

ętym włóknem szklanym i/lub napełniaczami mineralnymi

118.

Formowanie kompozytów metod

ą SMC (sheet molding compounds)

- wzmocnienie ci

ętym włóknem szklanym

Kompozyty o osnowie metalowej

119.

Najcz

ęściej stosowana osnowy metaliczne w kompozytach MMCs (metal-matrix composites)

- aluminium, aluminium-lit, magnez i tytan

120.

Najcz

ęściej stosowane wzmocnienia w kompozytach MMCs (metal-matrix composites)

- włókna grafitowe, tlenku aluminium, w

ęglika krzemu, boru z berylem i wolframem

121.

Najcz

ęściej stosowane metody formowania kompozytów MMCs (metal-matrix composites)

- metoda infiltracji
- metoda mieszania
- metoda metalurgii proszków

122.

Porównanie wad i zalet stopów odlewniczych Al (siluminów) oraz kompozytów wzmacnianych cz

ąstkami

SiC na osnowie tych stopów

- kompozyty wzmacniane cz

ąstkami SiC są zdecydowanie bardziej odporne na zginanie (450-830 MPa) i na

p

ękanie (10-55 MPa * m

1/2

)

123.

Dlaczego kompozyty MMCs wzmacniane włóknami, szczególnie ci

ągłymi nie są jeszcze powszechnie

stosowane

Materiały ceramiczne

124.

Cechy (wła

ściwości) charakterystyczne materiałów ceramicznych

- twarde i odporne na

ścieranie, kruche, duża wytrzymałość na ściskanie ale mała na rozciąganie, wysoka

temperatura topnienia, mała przewodno

ść cieplna i elektryczna, dobra stabilność chemiczna i cieplna

125.

Krucho

ść materiałów ceramicznych jest efektem:

- kowalencyjnego i jonowego charakteru wi

ązań

126.

Mikrostruktura ceramiki in

żynierskiej

- pory osłabiaj

ą materiał, ale przy zaokrąglonym kształcie koncentracja naprężeń nie jest zbyt duża

- najbardziej szkodliwe s

ą mikropęknięcia występujące w większości ceramik

127.

Do materiałów ceramicznych zaliczamy:
- ceramiki krystaliczne (tradycyjne krzemiany, wiele tlenków, zwi

ązki nie zawierające tlenu (azotki, węgliki,

borki)
- szkła
- ceramik

ę szklaną (dewitryfikaty)

128.

Tlenek aluminium Al

2

O

3

charakteryzuje si

ę:

- dobr

ą wytrzymałością i sztywnością

- dobr

ą twardością i odpornością na ścieranie

- dobr

ą odpornością na korozję, także w wysokich temperaturach

- dobr

ą stabilnością temperaturową

- znakomitymi własno

ściami dielektrycznymi

129.

Tlenek cyrkonu ZrO

2

charakteryzuje si

ę:

- wysok

ą odpornością na kruche pękanie

- rozszerzalno

ścią cieplną podobną do żeliwa (wyższa niż Al

2

O

3

)

- skrajnie wysok

ą wytrzymałością na ścieranie i korozję

- nisk

ą przewodnością cieplną

- przewodnictwem jonów tlenu
- bardzo dobrymi własno

ściami tribologicznymi (np. pierścienie ślizgowe)

130.

Podwy

ższanie odporności na pękanie ceramiki Al

2

O

3

wydzieleniami ZrO

2

polega na:

- przemianie martenzytycznej cz

ąstek ZrO

2

131.

W

ęglik krzemu SiC charakteryzuje się:

- bardzo wysok

ą twardością

- wysok

ą odpornością na ścieranie

- wysok

ą wytrzymałością i odpornością na korozję także w wysokich temperaturach (powyżej 1300st.C.)

- niskim współczynnikiem tarcia
- bardzo wysok

ą przewodnością cieplną (do 5x większą niż Al

2

O

3

), podobn

ą do stopów Al., około 2x wyższą

ni

ż żeliwo

132.

Mechanizmy wzmocnienia ceramicznych materiałów kompozytowych
- wzmocnienie dyspersyjne
- wzmocnienie przemian

ą

- wzmocnienie włóknami krótkimi – wiskerami
- wzmocnienie włóknami długimi

133.

Porównanie charakterystycznych wła

ściwości metali i materiałów ceramicznych

- stal:

ρ=7,8g/cm

3

, wytrzymało

ść na ściskanie 360-700 MPa, E=200 GPa, twardość 200-400HB, max temp

pracy 400st.C.
- materiały ceramiczne:

ρ=2,25-5,98g/cm

3

, wytrzymało

ść na zginanie 30-1400 MPa, E=40-450 GPa,

twardo

ść 1200-3200HB, max temp pracy 1000-2000st.C.

Podstawy obróbki cieplnej stopów żelaza

134.

Samorzutny proces rozrostu ziarna austenitu – stale gruboziarniste i drobnoziarniste
- warunek: nagrzanie stali do temperatury wy

ższej niż Ac

1

– po nagrzaniu do tej temperatury na granicach

mi

ędzyfazowych ferrytu i cementytu następuje niejednorodne zarodkowanie austenitu

- przemiana ma charakter dyfuzyjny; powstaj

ące ziarna mają bardzo zróżnicowane stężenie węgla

- zwi

ększenie temperatury lub czasu wygrzewania powoduje rozrost ziarn austenitu w stalach

gruboziarnistych
(rys. 4.45, str. 196, Dobrza

ński)

135.

Dyfuzyjna przemiana austenitu w perlit – wpływ przechłodzenia na morfologi

ę i własności perlitu

- w zakresie przechłodze

ń do ok. 175K produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu

- ze spadkiem temperatury grubo

ść płytek jest coraz mniejsza; przy niewielkich przechłodzeniach perlit jest

grubo płytkowy, a przy wi

ększych – drobnopłytkowy

- drobnopłytkowy (sorbit hartowania, troostyt hartowania) – szybko si

ę trawi; charakterystyczne ciemne

rozety
- ze wzrostem rozdrobnienia ro

śnie pole powierzchni międzyfazowej i liczba defektów sieciowych, maleje

mo

żliwość ruchu dyslokacji – wzrost twardości i wytrzymałości, kosztem własności plastycznych

136.

Przemiana martenzytyczna – uwarunkowania i cechy charakterystyczne przemiany
- przemiana bezdyfuzyjna, zachodzi przy du

żym przechłodzeniu austenitu do temperatury M

s

- powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór w

ęgla w żelazie α

- przemiana zachodzi pod warunkiem ci

ągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku

przemiany M

f

do jej ko

ńca

- warto

ści temperatury M

s

i M

f

zale

żą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem

st

ężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al. I Co

137.

Definicja i własno

ści martenzytu – wyjaśnienie przyczyn własności, wpływ zawartości węgla

- przesycony roztwór w

ęgla w żelazie α

- charakterystyczny relief powierzchni, zwi

ązany z nachyleniem powierzchni odpowiadającym każdej płytce

lub listwie martenzytu – spowodowany przemieszczeniem atomów wzgl

ędem atomów sąsiednich

- granice ziarn martenzytu poło

żone wzdłuż nieodkształconej i nie ulegającej obrotowi płaszczyzny

austenitu, zwanej płaszczyzn

ą habitus

138.

Austenit nieprzemieniony (szcz

ątkowy) – przyczyny i konsekwencje występowania

- obj

ętość właściwa martenzytu jest o ok. 3% większa od objętości właściwej austenitu, w wyniku czego w

nieprzemienionym austenicie powstaj

ą silne naprężenia ściskające, hamujące lub całkowicie zatrzymujące

dalsz

ą przemianę

- przemiana nie przebiega wi

ęc w całej objętości i dlatego po jej zakończeniu w strukturze stali pozostaje

austenit szcz

ątkowy

- w wyniku stabilizacji, w przypadku wytrzymania izotermicznego podczas chłodzenia w zakresie mi

ędzy

temperaturami M

s

i M

f

, udział austenitu szcz

ątkowego w stali zwiększa się; a także wraz ze zwiększeniem

st

ężenia węgla w stali

139.

Przemiany odpuszczania – odpuszczanie niskie,

średnie i wysokie; struktury, własności, zastosowanie

- odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego elementu do temperatury poni

żej A1, zwykle

jednak nie wy

ższej niż ok. 550st.C.; czas na ogół nie przekracza 2h; niekiedy stosuje się trzykrotne

odpuszczanie po 1h
- głównym celem jest poprawa ci

ągliwości materiału i zmniejszenie naprężeń, chociaż następuje to kosztem

obni

żenia jego twardości

- niskie (100-250st.C.) – narz

ędzia, wyroby nawęglane i hartowane powierzchniowo oraz łożyska

-

średnie (250-450st.C.) – resory i sprężyny

- wysokie (450-600st.C.) – stale konstrukcyjne i narz

ędziowe do pracy na gorąco; rozkład austenitu

szcz

ątkowego

Stale konstrukcyjne
140.

Ogólne wymagania stawiane stalom konstrukcyjnym
- łatwa spawalno

ść CEV=<0,45

- wysoka ci

ągliwość (odporność na kruche pękanie)

- jak najwy

ższa wytrzymałość

- jak najni

ższa cena

141.

Uzasadnienie zawarto

ści węgla w stalach konstrukcyjnych,

- zawarto

ść węgla nie większa niż ok. 0,5% - odporność na obciążenia i dobra ciągliwość

142.

Sposoby podwy

ższania wytrzymałości stali konstrukcyjnych

- umacnianie roztworowe i normalizowanie
- umacnianie wydzieleniowe
- umocnienie wynikaj

ące z ulepszania cieplnego

- umocnienie wynikaj

ące ze struktury bainistycznej

- dodatek pierwiastków Cr, Mn, Si, Ni, Mo – polepszenie hartowno

ści

- Cr, V, Mo, W zwi

ększają twardość i odporność na ścieranie

- obróbka cieplna, regulowane walcowanie

143.

Stale konstrukcyjne trudnordzewiej

ące (typu CORTEN) – wyjaśnienie zjawiska, zastosowanie

- zwi

ększona odporność na warunki atmosferyczne – stal tworzy ochronną powłokę na swojej powierzchni

pod wpływem pogody
- zastosowanie: rze

źby zewnętrzne, mosty, transport morski

Stale maszynowe

144.

Ogólne wymagania stawiane stalom maszynowym
- wysoka wytrzymało

ść, wysoka ciągliwość, odpowiednia hartowność, dobra skrawalność

145.

Uzasadnienie zawarto

ści węgla oraz główna rola dodatków stopowych

-

średnia zawartość węgla (0,25-0,5%) ze względu na ciągliwość

- dodatki stopowe: zapewniaj

ą głównie hartowność, niektóre polepszają również ciągliwość

- Ni (ci

ągliwość, wytrzymałość, hartowność)

- V, Ti (hamowanie rozrostu ziaren – ci

ągliwość i wytrzymałość)

- Mo, Cr (opó

źnianie przemian odpuszczania więc wyższa temperatura i wyższa ciągliwość

- regulowana zawarto

ść S dla odpowiedniej skrawalności

146.

Uzasadnienie najcz

ęściej stosowanej obróbki cieplnej

- hartowanie i wysokie odpuszczanie – optymalne skojarzenie wytrzymało

ści i ciągliwości

147.

Kryteria doboru stali maszynowych
- hartowno

ść (decyduje o własnościach przedmiotu oraz cenie)

- wytrzymało

ść (głównie zawartość C, temp. Odpuszczania, ziarno, dodatki itd.)

- ci

ągliwość (odporność na pękanie) - %C, ziarno, Ni, domieszki itd.

Stale odporne na korozję elektrochemiczną (nierdzewne i kwasoodporne)

148.

Główny dodatek stopowy – przyczyny konieczno

ści jego stosowania w dużych ilościach

- Cr (jedyny konieczny dodatek) , min 10,5% - tworzy warstw

ę pasywną

149.

Nikiel jako dodatek stopowy – przyczyny jego stosowania mimo bardzo wysokiej ceny
- w przypadku dodania wi

ęcej niż 8% Ni do stali zawierających co najmniej 18% Cr stale wykazują strukturę

austenitu – wy

ższe własności mechaniczne, większa odporność na korozję i mniejsza skłonność do rozrostu

ziarn

150.

Mo

żliwe do uzyskania struktury w tej grupie stali (podstawa klasyfikacji) – zalety i wady

- ferrytyczne, martenzytyczne, austenityczne (umacniane wydzieleniowo), ferrytyczno-austenityczne (ponad
dwa razy wi

ększa granica plastyczności niż austenitycznych, dobra odporność na pęknie naprężeniowo-

korozyjne, korozj

ę wżerową), austenityczno-martenzytyczne, austenityczne bez niklu

151.

Korozja mi

ędzykrystaliczna w tej grupie stali – przyczyny i konsekwencje

- przerwanie warstwy pasywnej tlenku Cr