1. Mapy Ashby’ego:

a) Porównanie wytrzymałości i gęstości materiałów metalowych i innych

b)

Porównanie odporności na pękanie i gęstości materiałów metalowych i innych

c) Porównanie modułu sprężystości i gęstości materiałów metalowych i innych

d) Porównanie wytrzymałości materiałów metalowych i innych w podwyższonej lub

obniżonej temperaturze

2. Cykl życia materiałów inżynierskich:

Energochłonnośd właściwa – iloczyn energii potrzebnej na wytworzenie materiału, tj.
wydobycie surowców, ich rafinacja i kształtowanie gotowego materiału, odniesione do 1kg
materiału oraz jego gęstości (jednostka: GJ/m

2

).

Ekonomiczne stosowanie materiałów:
Istniejąca sytuacja oraz prognozowania na przyszłośd stale wymagają od inżynierów
skoordynowanych działao w celu oszczędzania dostępnych surowców polegających na:



projektowaniu z oszczędnym wykorzystaniem materiałów, zwłaszcza trudno
dostępnych i wyczerpujących się, przy minimalizacji energochłonności



stosowaniu zamienników łatwiej dostępnych i o dużej rezerwie czasu
połowicznego wyczerpania się zasobów surowcowych oraz o mniejszej
energochłonności w miejsce trudno dostępnych i wyczerpujących się



pełnym wykorzystaniu energooszczędnego recyklingu w celu ponownego
wykorzystywania i pełnego odzysku materiałów we wszystkich możliwych i
ekonomicznie uzasadnionych przypadkach

3. Hartownośd – podatnośd stali na hartowanie, zależnośd przyrostu twardości w wyniku

hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia.
O hartowności stali decydują:

1) Utwardzalnośd – podatnośd stali na hartowanie, miarą której jest

zależnośd największej możliwej do uzyskania po hartowaniu twardości,
od warunków austenityzowania. Utwardzalnośd jest zależna od stężenia
węgla w austenicie

2) Przehartowalnośd – podatnośd stali na hartowanie, miarą której jest

zależnośd przyrostu twardości w głąb przekroju w wyniku hartowania od
szybkości chłodzenia. Na przehartowalnośd ma wpływ:



Stężenie węgla i pierwiastków stopowych w roztworze stałym
podczas austenityzowania



Stopieo jednorodności austenitu



Wielkośd ziaren austenitu

4.

Średnica krytyczna (miara przehartowalności) - jest to średnica pręta, przy której po
zahartowaniu w ośrodku o określonej zdolności chłodzącej uzyskuje się w osiowej części

przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, lecz nie mniejszej niż 50%.

5. Próba Jominy’ego – polega na oziębianiu strumieniem wody, czołowej powierzchni

próbki walcowej o średnicy 25 mm i długości 100 mm po austenityzowaniu w warunkach
zalecanych dla danego gatunku stali. Na tak zahartowanym przedmiocie wykonuje się
próby twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki w odległości co 2 mm, poczynając
od czoła próbki. Następnie sporządza się wykres twardości w funkcji odległości od czoła
próbki – krzywą hartowności, nanosząc średnie wyników pomiarów z dwóch
przeciwległych tworzących. Ponieważ stale charakteryzują się rozrzutem składu
chemicznego, który jest dopuszczalny przez normy, dla stali tego samego gatunku z
poszczególnych wytopów uzyskuje się krzywe hartowności.

6. Obliczanie i modelowanie hartowności – wskaźniki i funkcje mierników hartowności

obliczane w celu sklasyfikowania stali oraz posługiwania się hartownością przy doborze
materiałów:

a) D

I50-95

– idealne średnice krytyczne przy zróżnicowanym udziale martenzytu w osi

przekroju

b) D

H50

– średnice krytyczne dla ośrodków o zróżnicowanej intensywności

chłodzenia H przy założonym udziale martenzytu w osi przekroju.

c) H

I

= f(I) – krzywa Jominy’ego stali, opisująca zmiany twardości HRC próbki

Jominy’ego w funkcji odległości od czoła próbki

d) D

I50

– idealna średnica krytyczna – maksymalna średnica pręta okrągłego

chłodzonego w warunkach idealnych, tj. przy intensywności chłodzenia H=∞, dla
udziału co najmniej 50% martenzytu.

e) Idealna średnica krytyczna D

IW

(dla czystego stopu Fe-C o określonej wielkości

ziarna) zależy od stężenia węgla, wielkości ziarna.

( )

( )

%C – stężenie węgla; N – wielkośd ziarna austenitu

f) Wpływ dodatków stopowych na idealną średnicę krytyczną uwzględniany jest

przez mnożniki średnicy podstawowej.

g) Zależnośd służąca do obliczania idealnych średnic krytycznych przy innym niż 50%

udziale martenzytu w osi przekroju

h) Wyznaczenie zawartości rzeczywistych średnic krytycznych dla wybranych

ośrodków chłodzących o różnej intensywności chłodzenia odbywa się przy
pomocy odpowiednich krzywych.

7.

Odpuszczalnośd

– reagowanie struktur utworzonych z przechłodzonego austenitu na

odpuszczanie. Zwykle pojęcie odpuszczalności ogranicza się do ujmowania zależności
twardości od temperatury odpuszczania przy stałym czasie tej operacji. Odpuszczalnośd
zależy od struktury stali po hartowaniu i jest ściśle związana z temperaturą i czasem
odpuszczania. Parametr odpuszczania M – ujmuje wpływ temperatury i czasu
odpuszczania na twardośd stali węglowej.
Odpuszczanie, wyżarzanie odpuszczające, obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu
przedmiotów stalowych uprzednio zahartowanych (hartowanie) do określonej
temperatury (zależnej od pożądanego efektu - 180-650°C), wygrzaniu w tej
temperaturze, a następnie ochłodzeniu.

Zależnie od temperatury, w jakiej przebiega proces, rozróżnia się:

- odpuszczanie niskie, w zakresie temperatur 180-250°C, którego głównym celem jest
usunięcie naprężeo hartowniczych z zachowaniem wysokiej twardości,

- odpuszczanie średnie, w zakresie temperatur 250-500°C, mające na celu nadanie
przedmiotom dużej wytrzymałości i sprężystości przy dostatecznej udarności,

- odpuszczanie wysokie, w zakresie temperatur 500-650°C, mające na celu nadanie dużej
wytrzymałości na rozciąganie, dużej twardości, z zachowaniem odpowiedniej
plastyczności.

8. Właściwości materiałów:

1) Zależne od budowy fazowej:
- Wynikające z mechanicznej stabilności ciała stałego – decydują o nich siły
oddziaływania międzyatomowego oraz sposób uporządkowania atomów.



Gęstośd



Moduł sprężystości (Younga)



Kohezja



Temp. topnienia

- Wynikające ze statycznej stabilności ciała stałego – od zjawisk transportu
cząstek zachodzących pod wpływem sił wywołanych istnieniem gradientów
wielkości elektrycznych, cieplnych czy chemicznych



Przewodnośd cieplna i elektryczna

2) Zależne od mikrostruktury:
- generowane są dzięki temu, że pod wpływem przyłożonych bodźców
uruchamiane zostają oddziaływania , w których biorą udział elementy
struktury (wakanse, dyslokacje, etc.)



Wytrzymałośd



Plastycznośd



Wydłużenie

3) Właściwości o charakterze kolektywnym:

- właściwości, których zwykle nie można określid w postaci liczbowej –

cechy materiału



Spawalnośd



Biozgodnośd



Hartownośd



Lejnośd

9. Właściwości fizykochemiczne:

1) Gęstośd

ρ = m/V
ρ = masa komórki elementarnej/objętośd komórki elementarnej

masa komórki elementarnej = (liczba atomów * masa atomowa)/stała Avogadra
objętośd komórki elementarnej – zależy od rodzaju układu krystalograficznego
Gęstośd pozorna – stosunek masy do objętości mierzonej łącznie z porami

ρ

0

– gęstośd cieczy

2) Porowatośd - zawartośd pustych przestrzeni – porów w jednostce objętości

P=( ρ -

)/ ρ *100%

3) Sypkośd – wielkośd kąta usypu – zawartego pomiędzy tworzącą luźno usypanego

stożka, a podstawą (mierzona dla materiałów proszkowych)

4) Nasiąkliwośd – zdolnośd do wchłaniania wody przez materiał

1) Nasiąkliwośd wagowa – stosunek masy wody wchłoniętej przez materiał

do jego masy w stanie suchym
n

w

=m

w

-m/m *100%

2) Nasiąkliwośd objętościowa – stosunek objętości wody wchłoniętej przez

materiał do jego objętości w stanie suchym
n

w

=V

w

-V/V*100%

10. Właściwości cieplne:

1) Temperatura topnienia - jest zależna od stabilności termicznej materiału – ma

wpływ chociażby energia swobodna. Najniższe temperatury mają polimery,
potem kompozyty, ceramiki i metale mogą mied bardzo wysokie temperatury
topnienia.

2) Przewodnośd cieplna – zdolnośd materiału do przewodzenia strumienia

cieplnego powstającego na skutek różnicy temperatury na jego powierzchniach.
Parametrem jest λ – współczynnik przewodności cieplnej, stała materiałowa
zależna od temperatury.

3) Rozszerzalnośd cieplna – wzrost wymiarów i objętości ciał pod wpływem wzrostu

temperatury. Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej wyraża względne
wydłużenie materiału występujące podczas ogrzania materiału o jeden stopieo.
α=1/l

0

* Δl/ΔT

4) Naprężenia cieplne – są spowodowane nierównomiernym rozszerzaniem

cieplnym różnych obszarów materiału (w zakresie odkształceo sprężystych)
poddawanego zmianom temperatury.

1) I rodzaju – wynikają z anizotropii (zależności od kierunku) rozszerzalności

poszczególnych ziaren lub anizotropii modułu Younga\

2) II rodzaju – wynikają z nierównomiernego rozkładu temperatury w

objętości materiału

5) Odpornośd na wstrząsy cieplne – maksymalna różnica temperatury, przy której

maksymalne naprężenia cieplne są równe wytrzymałości tworzywa. Rośnie, gdy:

1) rośnie wytrzymałośd
2) maleje rozszerzalnośd cieplna
3) maleje moduł Younga

6) Pojemnośd cieplna – zdolnośd materiału do kumulowania ciepła podczas

ogrzewania

11. Właściwości magnetyczne:

1) Domeny magnetyczne – stanowią strukturę magnetyczną materiałów

ferromagnetycznych. Są to małe makroskopowe obszary o rozmiarach ok. 0,01
mikrometra, w których wszystkie momenty wypadkowe atomów mają zgodną
orientację. Przy braku pola zewnętrznego wypadkowy moment magnetyczny
ferromagnetyku jest równy zeru – wypadkowe momenty magnetyczne domen są
zorientowane losowo. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego,
wszystkie domeny ferromagnetyka ustawiają się jednakowo.

2) Moment magnetyczny – wytwarzany przez elektrony, które oddziałując z

zewnętrznym polem magnetycznym wytwarzają moment magnetyczny orbitalny
i spinowy
M=χ * H H – natężenie pola magnetycznego, χ – podatnośd magnetyczna

3) Indukcja magnetyczna – określa gęstośd strumienia magnetycznego i zależy od

przyłożonego pola magnetycznego
B = μ * H μ – przenikalnośd magnetyczna

12. Podział materiałów magnetycznych (χ – objętościowa podatnośd magnetyczna)

1) Diamagnetyki - χ<0

1) Każdy atom ma zerowy moment magnetyczny
2) Np. Cu, Ag, Au i gazy szlachetne, jony Na

+

i Cl

-

, gazy H

2

, O

2

, N

2

,

półprzewodniki Si, Ge, diament, metale Be, Mg, Zn, Cd, Hg

2) Paramagnetyki - χ>0

1) Pierwiastki o niecałkowicie zapełnionej zewnętrznej powłoce

elektronowej

2) Momenty magnetyczne są zorientowane przypadkowo i się znoszą.

3) Antyferromagnetyki

1) Jednakowe momenty magnetyczne atomów są zorientowane

antyrównolegle – znoszą się.

2) Metale paramagnetyczne, np. Pt, Pd, Mn (alfa), Ni, sole manganu

4) Ferromagnetyki - χ>>0

1) Momenty magnetyczne atomów są uporządkowane wewnątrz każdej

domeny

2) Np. żelazo, nikiel, kobalt, gadolin, erb, dysproz, tul, holm i terb
3) Silne właściwości magnetyczne
4) Temp. Curie – powyżej niej, zanikają właściwości magnetyczne,

ferromagnetyki zmieniają się w paramagnetyki

5) Ferrimagnetyki – różne momenty magnetyczne każdego typu atomów są

zorientowane antyrównolegle.

13. Pętla histerezy magnetycznej – magnetyki miękkie, twarde

1) Pętla histerezy magnetycznej – struktura materiału wpływa na postad pętli

histerezy magnetycznej, decydując o ruchliwości ścianek Blocha między
domenami magnetycznymi. Skład chemiczny materiału wpływa na wartośd
namagnesowania nasycenia. Duża ruchliwośd ścianek Blocha decyduje o małej
szerokości pętli i stratności magnetycznej – materiały magnetycznie miękkie.

2) Materiały magnetycznie miękkie

1) Właściwości



Wąska pętla histerezy magnetycznej



Duże nasycenie magnetyczne przy nieznacznym polu
magnetycznym



Duża przenikalnośd początkowa



Mała wartośd stałej anizotropii magnetycznej



Mała magnetostrykcja (zmiana wymiarów kryształu pod
wpływem namagnesowania, jest to zjawisko odwracalne, to
znaczy odkształceniu sprężystemu materiału
magnetostrykcyjnego towarzyszy zmiana stanu
namagnesowania.

2) Żelazo, stopy na osnowie żelaza
3) Ferryty
4) Szkła metaliczne na osnowie Fe, Fe-Ni, Fe-Co-Ni z dodatkami Cr, Mo, W,

Zr, Nb oraz niemetali B, P, Si o strukturze amorficznej lub
nanokrystaliczne

3) Materiały magnetycznie twarde

1) Właściwości



Szeroka pętla histerezy magnetycznej



Duża wartośd remanencji B

r



Duża wartośd koercji duża wartośd iloczynu (BH)

max

(gęstośd

energii magnetycznej)



Duża anizotropia magnetokrystaliczna i magnetostrykcja

14. Właściwości elektryczne – prąd elektryczny to strumieo ładunków przenoszonych przez

odpowiednią płaszczyznę w materiale przez różne typy cząstek:

a) Elektrony
b) Dziury
c) Jony

Przewodnictwo elektryczne za pośrednictwem cząstek jest uzależnione od:

a) Liczby danych cząstek w jednostce objętości

b) Ładunku elektrycznego każdej cząstki
c) Średniej ruchliwości cząstek.

15. Podział materiałów ze względu na przewodnictwo elektryczne:

1) Przewodniki

a) Przewodowe – wymagane właściwości:



elektryczne (wysoka przewodnośd elektryczna)



mechaniczne (wytrzymałośd na rozciąganie, granica
plastyczności, wytrzymałośd na pełzanie)



cieplne (wysoka przewodnośd cieplna, wysoka temperatura
topnienia, wysoka dopuszczalna temp. pracy)



technologiczne (plastycznośd, lutowalnośd, spawalnośd)



chemiczne (mała aktywnośd chemiczna, odpornośd na
korozję)

b) Oporowe – wymagane właściwości:



elektryczne (rezystywnośd, obciążalnośd prądowa,
stabilnośd właściwości elektrycznych)



mechaniczne (wytrzymałośd na rozciąganie)



cieplne (dopuszczalna temperatura pracy ciągłej,
temperaturowa granica plastyczności)



technologiczne (obrabialnośd, podatnośd na rekrystalizację)



chemiczne (odpornośd na korozję, pasywacja)

c) Stykowe



Wysoka odpornośd na przebicia



Odpornośd na zmiany prądów



Elementy łączące w obwodach

d) Termoelektryczne

16. Pętla histerezy elektrycznej

17. Nadprzewodnictwo

Całkowity zanik oporu elektrycznego w niektórych materiałach po ochłodzeniu do
temperatury zbliżonej do zera bezwzględnego

a) Linie sił pola zewnętrznego zawsze omijają nadprzewodzącą bryłę
b) Indukcja magnetyczna w obszarze nadprzewodnika jest zawsze równa zeru.

W chwili przejścia w stan nadprzewodnictwa na powierzchni zostaje wzbudzony trwały prąd
elektryczny Meissnera, wytwarzający własne pole magnetyczne, kompensujące do zera pole
magnetyczne istniejące poprzednio wewnątrz bryły.

c) Temperatura krytyczna – powyżej niej raptownie zanikają właściwości

nadprzewodzące, możemy również mówid o krytycznym prądzie i napięciu.

18. Właściwości mechaniczne określane w próbie rozciągania

Naprężenie nominalne:

, S

0

początkowe pole powierzchni

Odkształcenie (wydłużenie)

, L

0

początkowa długośd próbki

Prawo Hook’a
Wartośd naprężenia normalnego do przekroju jest proporcjonalna do wartości
względnego wydłużenia w kierunku prostopadłym do tego przekroju.

a) Granica sprężystości R

sp

– naprężenie graniczne poniżej którego próbka odkształca

się sprężyście – jest to proces odwracalny. Powyżej naprężenia granicznego pojawia
się odkształcenie trwałe – plastyczne

b) Granica plastyczności R

e

– nominalne naprężenie uplastyczniające materiał. Dla

wielu matieriałów jest trudne do określenia z krzywej naprężenie – odkształcenie i w
tych przypadkach należy określad naprężenie umowne (umowną granicę
plastyczności)

c) Umowna granica plastyczności R

0,1

– naprężenie, które powoduje odkształcenie

trwałe materiału odpowiadające określonej procentowej zmianie długości próbki.
Zwykle naprężenie umowne określa się dla 0,1% odkształcenia trwałego.

d) Wyraźna granica plastyczności R

e

– naprężenie rozciągające w próbce przy

osiągnięciu którego następuje wzrost jej wydłużenia przy ustalonej lub nieco
zmniejszonej sile rozciągającej.

e) Wytrzymałośd na rozciąganie R

m

– naprężenie, normalne w próbce obliczone jako

stosunek największej siły rozciągającej, uzyskanej podczas przeprowadzania próby,
do pola powierzchni przekroju początkowego. Powoduje początek powstawania
„szyjki” – przewężenia

f) Wydłużenie względne po próbie rozciągania ε

f

- Trwałe wydłużenie próbki

(mierzone po złączeniu dwóch kawałków próbki powstałych w wyniku próby
rozciągania) wyrażone jako procent długości początkowej próbki

g) Wydłużenie i przewężenie wykorzystuje się do określenia ciągliwości
h) Przewężenie- Stosunek zmniejszenienia powierzchni przekroju poprzecznego próbki

w miejscu pęknięcia wyrażone jako procent początkowej powierzchni przekroju
próbki

i) Energia odkształcenia – pole pod krzywą.

19. Właściwości określane w próbie ściskania, zginania, skręcania

a) Względne skrócenie jednostkowe

b) Granica plastyczności R

e

– naprężenie, po osiągnięciu którego następuje trwałe

odkształcenie próbki

c) Umowna granica plastyczności – naprężenie, po osiągnięciu którego długośd

pomiarowa próbki doznaje trwałego skrócenia równego 0,01% początkowej długości
próbki (wartośd procentowa jest zmienna, dla R

e 0,01

będzie to 0,01%, ale dla R

e 0,2

to

już 0,2%)

d) Wytrzymałośd na ściskanie R

m

– naprężenie powodujące zniszczenie próbki,

otrzymane jako stosunek największej siły obciążającej P

c

do pola powierzchni

pierwotnego przekroju poprzecznego.

e) Wytrzymałośd na zginanie – właściwie tak samo jak wyżej – największa siła do

przekroju

f) Moment gnący M

g

– w przypadku obciążenia próbki w środku siłą P:

g) Wskaźnik przekroju W

g

a) Dla przekroju o średnicy d

0

b) Dla przekroju prostokątnego o szerokości b i wysokości h

h) Naprężenie zginające σ

g

-w próbkach o przekroju poprzecznym symetrycznym:

i) Wskaźnik przekroju na skręcanie W

s

j) Wytrzymałośd na skręcanie R

s

- dla materiałów ciągliwych

20. Twardośd (Brinella, Vickersa, Rockwella, Knoopa)

a) Metoda Vickersa –wgłębnikiem jest piramidka diamentowa o kącie

wierzchołkowym 136°, dzięki temu można zmierzyd twardośd prawie
wszystkich (oprócz diamentu) materiałów. Piramidkę wciska się w materiał z
siłą od 1 do 100 kG (9,807 – 980,7 N). Na gładkiej powierzchni powstaje ślad
kwadratu z wyraźnie zaznaczonymi przekątnymi. Należy zmierzyd długości
przekątnych, obliczyd z nich średnią i wstawid do wzoru

Przy mierzeniu twardości cienkich warstw lub obiektów bardzo małych,
używa się mniejszych sił, mówimy wtedy o mikrotwardości, i oznaczamy jako
HV 0,02 (dla siły 0,02kG)

b) Metoda Knoopa – wg książki prof. Ledy jest to tak naprawdę odmiana

metody Vickersa, wgłębnikiem jest spłaszczona piramidka, zostawiająca
odciski w kształcie foremnego rombu.

c) Metoda Brinella – wgłębnikiem jest hartowana kulka stalowa. Wynik jest

ilorazem siły i powierzchni powstałej czaszy, najwyższe twardości które
można ocenid, dochodzą do 400 HB (twardośd samej kulki wynosi ok. 600 HB)

(wg wiki)

d) Metoda Rockwella – wgłębnikiem jest stożek diamentowy o kącie

wierzchołkowym 120°, siła wynosi 1471 N (ok. 150 kG). Wartośd twardości
odczytuje się na skali przyrządu (przeskalowany głębokościomierz). Czasem
można też używad stalowej kulki zamiast diamentu

21. Udarnośd – odpornośd materiału na pękanie przy uderzeniu dynamicznym.

a) Próba udarności - polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego

Charpy’ego próbki z karbem podpartej swobodnie na obu koocach i pomiarze pracy
jej złamania, próbka jest ułożona tak, by uderzenie młota nastąpiło z przeciwległej
strony karbu. W wyniku próby określamy wielkośd pracy K potrzebnej do złamania
próbki, lub stosunek pracy łamania zużytej na złamanie próbki do pola powierzchni
jej przekroju poprzecznego S

0

w miejscu złamania

Karb może mied kształt litery U bądź litery V.

b) Oznaczenie KU 150/7,5

i. KU – symbol określający typ próbki (nacięcia)

ii. 150 – początkowa energia młota w J

iii. 7,5 – zmniejszona szerokośd próbki w mm

22. Mechanika pękania – proces pękania składa się głównie z:

a)

Zarodkowania (inicjacji) pęknięd

b)

Rozprzestrzeniania się (propagacji) pęknięd o wielkości krytycznej lub większej.
Ogólnie pękanie można uważad za wynik superpozycji trzech mechanizmów zniszczenia
(rozwarcie, ścięcie, ścięcie poprzeczne). Wydatek energetyczny przy pękaniu przez rozwarcie
jest dużo mniejszy, więc najczęściej materiały pękają przy jego udziale. Pękanie zaczyna się na
lokalnych wadach wyrobów, stanowiących karby, mogące powstad zarówno w trakcie
produkcji, jak i eksploatacji. Wyróżniamy:

o Liniowo – sprężystą mechanikę pękania

Obejmuje przypadki, w których rozprzestrzenianiu się
pęknięcia może towarzyszyd jedynie odkształcenie
sprężyste, czyli dotyczy materiałów idealnie kruchych. W
rzeczywistości pękaniu towarzyszy chodby niewielkie
odkształcenie plastyczne, dlatego mechanikę liniowo –
sprężystą stosuje się wtedy, gdy zakres odkształceo
plastycznych u wierzchołka pęknięcia w stosunku do
wymiarów próbki jest nieznaczny.

o Nieliniową mechanikę pękania

Obejmuje przypadki, gdy strefa odkształceo plastycznych u
wierzchołka pęknięcia jest zbyt duża, by spełnid wymagania
liniowo – sprężystej mechaniki pękania. Miarą właściwości
ciągliwych jest rozwarcie pęknięcia δ (strefa plastyczna
umożliwia rozwarcie brzegów pęknięcia bez powiększenia
jego długości)

23. Ocena odporności materiałów na pękanie

a) Współczynnik intensywności naprężeo K – jest to odpowiednik wyrażenia

√

σ – naprężenia
a – długośd pęknięd
Pęknięcie nastąpi, jeżeli w materiale na który oddziałują naprężenia σ,
długośd pęknięd osiągnie krytyczną wielkośd a.

b) Krytyczny współczynnik intensywności naprężeo K

c

- kiedy K=K

c

powstaje

pęknięcie.

√

c) Wiązkośd G

c

– inaczej krytyczna szybkośd uwalniania energii.

24. Kruche pękanie

Występuje zazwyczaj wtedy, gdy K

c

i G

c

są dośd małe. W ostrzu pęknięcia powstają

naprężenia większe, niż średnie naprężenie, któremu poddany jest materiał. Lokalne
naprężenie przed ostrzem pęknięcia jest większe niż teoretyczna wytrzymałośd materiału,
jest wystarczająco duże, żeby rozrywad wiązania między atomami. Pęknięcie rozwija się
wtedy między dwiema płaszczyznami atomowymi. Powstaje wtedy powierzchnia płaska w
skali atomowej, bardzo gładka.

25. Zmęczenie metali, wytrzymałośd zmęczeniowa, złomy zmęczeniowe

a) Parametry:

N – liczba cykli zmęczeniowych
N

f

– liczba cykli do zmęczeniowego zniszczenia materiału

b) Mechanizm zmęczenia materiału:

Po lewej – zniszczenie powstające w czystych metalach i polimerach. Pod
wpływem obciążenia rozciągającego strefa przed czołem pęknięcia ulega
uplastycznieniu, powoduje to otwarcie pęknięcia o wartośd δ, prowadząc do
powstania nowej powierzchni pęknięcia. Przy zaciśnięciu pęknięcie częściowo
zamyka się, a nowo utworzona powierzchnia przyrasta, w przybliżeniu o δ.
Po prawej – zniszczenie zmęczeniowe w rzeczywistości – w metalu
występują wtrącenia. W strefie uplastycznionej powstają pustki, które łączą
się ze sobą i z czołem pęknięcia. Pęknięcie rośnie szybciej, co wynika z
obecności tych pustek.

c) Przełom zmęczeniowy:

d) Wytrzymałośd zmęczeniowa

c) Nieograniczona wytrzymałośd zmęczeniowa Z

G

– największe obliczeniowe

naprężenie próbki występujące w cykl zmęczeniowym, od którego
począwszy, mimo zwiększenia liczby cykli, nie powstaje złom zmęczeniowy
lub pęknięcia.

Strefa odkształceo
plastycznych (nierówna
powierzchnia)

Przełom resztkowy,
pęknięcie kruche
(powierzchnia gładka)

d) Graniczna liczba cykli N

G

– podstawa próby zmęczeniowej. Dalsze

zwiększanie liczby cykli ponad tą liczbę nie powoduje powstania złomu
zmęczeniowego lub pęknięd. Przyjmuje się, że dla stali N

G

= 10

7

cykli, dla

metali nieżelaznych sięga 2*10

7

– 10

8

cykli.

e) Praktyczna wytrzymałośd zmęczeniowa Z - odpowiada umownie przyjętej

liczbie cykli zmęczeniowych N

G

.

26. Procesy wysokotemperaturowego niszczenia materiałów

a) Pełzanie - trzy etapy

f) Stadium I – pełzanie nieustalone – po przyłożeniu obciążenia szybkośd

odkształcenia maleje w miarę postępu procesu w wyniku zwiększenia
gęstości dyslokacji, przy równoczesnym tworzeniu się granic niskokątowych i
podziarn

g) Stadium II – pełzanie ustalone - szybkośd pełzania jest prawie stała i

nazywana jest minimalną szybkością pełzania

h) Stadium III – pełzanie przyspieszone – szybkośd odkształcenia stopniowo

zwiększa się aż do zerwania wraz z rozwojem procesu pękania

b) Granica pełzania – naprężenie, przy którym w określonym czasie i

temperaturze wydłużenie osiągnie wartośd graniczną

c) Wytrzymałośd na pełzanie – naprężenie, przy którym w określonym czasie i

temperaturze nastąpi pęknięcie materiału.

d) Pękanie podczas pełzania

i) Transkrystaliczne – występuje w przypadku dużych naprężeo i dużych

minimalnych szybkości pełzania i towarzyszy mu znaczne wydłużenie i
przewężenie. Polega ono na powstawaniu pęknięd na wtrąceniach
(wywołanych przez koncentrację naprężeo na wtrąceniach) w osnowie oraz
następnym ich wzroście i kondensacji

j) Międzykrystaliczne

27. Zużycie trybologiczne - rodzaj zużycia spowodowanego procesami tarcia, w którym następuje
zmiana masy oraz struktury i fizycznych właściwości warstw wierzchnich obszarów styków.
Intensywnośd zużycia trybologicznego zależy od odporności obszarów tarcia warstw wierzchnich
oraz od rodzaju oddziaływania

a) Ścierne

i. Występuje, gdy w obszarach tarcia współpracujących elementów występują

utwierdzone albo luźne cząstki ścierniwa, lub wystające nierówności
twardego materiału.

ii. Następuje przez

1. Ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach
2. Luźne pojedyncze ziarna ścierne, w tym także powstające w obszarze

tarcia w wyniku utleniania produktów zużycia

3. Warstwę ścierną występującą między współpracującymi

powierzchniami

4. Strumieo ścierny
5. Ścieranie w środowisku ściernym

iii. Procesy

1. Bruzdowanie
2. Ścinanie nierówności
3. Ścinanie nierówności ścierniwem przez występ nierówności
4. Odkształcanie plastyczne materiału

b) Adhezyjne – polega na lokalnym sczepianiu (adhezji) powierzchni trących w

mikroobszarach odkształcenia plastycznego warstwy wierzchniej, a zwłaszcza
najwyższych wierzchołków chropowatości zbliżonych na odległośd działania sił
molekularnych i następnym ich rozrywaniu związanym z odrywaniem cząstek metalu
lub jego rozmazywaniem na powierzchniach tarcia.

i. Sczepianiu adhezyjnemu sprzyja:

1. Duże powinowactwo chemiczne materiałów
2. Podobieostwo struktury krystalicznej oraz zbliżone wartości

parametru sieci

3. Podobieostwo struktury elektronowej atomów materiałów
4. Plastycznośd

c) Zrastanie tarciowe – występuje w wysokiej temperaturze oraz przy dużych

odkształceniach plastycznych mikroobszarów tarcia i polega na trwałym łączeniu się
stykających się obszarów trących powierzchni metalowych w wyniku dyfuzji przez
gran ich styku

i. Wzajemna rozpuszczalnośd w stanie stałym materiałów pary trącej

ii. Współczynniki dyfuzji lub samodyfuzji

iii. Temperatura mikroobszarów tarcia
iv. Czas styku

v. Wartości obciążenia

d) Scuffing – gwałtowne zużycie spowodowane zachwianiem równowagi termicznej i

mechanicznej w wyniku przerwania warstwy olejowej, polegające na zaczepianiu

nierówności powierzchni, i podwyższeniem temperatury w warunkach, gdy warstwa
olejowa istnieje, lecz jest zbyt cienka w stosunku do wysokości nierówności

i. Polega na sczepianiu się i następnym rozrywaniu połączeo wierzchołków

nierówności w mikroobszarach styku

e) Zużycie z udziałem utleniania – występuje w przypadku, gdy intensywnośd niszczenia

powierzchni przez ścieranie jest mniejsza od intensywności tworzenia warstw
tlenków

f) Zużycie zmęczeniowe – występuje, gdy cykliczne oddziaływanie naprężeo

kontaktowych w warstwach wierzchnich współpracujących elementów tarciowych
wywołuje zmęczenie materiału i w wyniku tego miejscową utratę spójności i
związane z tym ubytki materiału.

i. Powierzchniowe – charakteryzuje się miejscowymi ubytkami warstwy

wierzchniej materiału spowodowanymi obciążeniami kontaktowymi

ii. Objętościowe

iii. Zużycie przez łuszczenie (spalling) – polega na odpadaniu od podłoża cząstek

materiału utworzonych w wyniku rozprzestrzeniania się mikropęknięd
zainicjowanych wewnątrz warstwy wierzchniej skojarzonych elementów
tarciowych wskutek cyklicznego oddziaływania naprężeo kontaktowych

iv. Zużycie gruzełkowe (pitting) – występuje w obecności oleju i w warstwach

wierzchnich wskutek cyklicznego oddziaływania naprężeo kontaktowych

28. Korozja materiałów– oddziaływanie fizykochemiczne i elektrochemiczne między materiałem
głównie metalowym a otaczającym środowiskiem, w wyniku którego następuje uszkodzenie
korozyjne powodujące zmniejszenie właściwości metalu.

Podział:

a) Ze względu na typ reakcji powodujących zniszczenie metalu lub stopów:



Korozja elektrochemiczna



Korozja chemiczna

b) W przypadku oddziaływania czynników fizycznych i chemicznych:



Korozja erozyjna



Korozja cierna



Korozja kawitacyjna

c) Ze względu na wygląd zewnętrzny i zmiany właściwości fizycznych:

v. Równomierna – polega na niemal jednostajnym na całej powierzchni

niszczeniu metalu w miarę upływu czasu (jednostka – mm/rok,
mg/dm

2

*doba)

vi. Lokalna i wżerowa – szybkośd niszczenia metalu lub stopu w różnych

obszarach jego powierzchni jest zróżnicowana (współczynnik korozji
wżerowej W

KW

– stosunek największej głębokości wżerów do głębokości

średniej !=1)

vii. Nożowa – przebiega w wąskiej strefie granicznej na przebiegu złącza

spawanego lub lutowanego

viii. Selektywna – niszczenie jednej lub kilku faz stopu ze znacznie większą

szybkością od szybkości uszkadzania osnowy stopu – kształt pozostaje, ale
powstaje struktura gąbczasta, wytrzymałośd ulega znacznemu zmniejszeniu

ix. Międzykrystaliczna – przebiega głównie na granicach ziaren metali lub ich

stopów, postępując z bardzo dużą szybkością i sięgając na dużą głębokośd. W
wyniku korozji następuje znaczne zmniejszenie wytrzymałości i ciągliwości
metalu, bez wyraźnie widocznych zewnętrznie objawów.

x. Korozja naprężeniowa i zmęczeniowa – powstaje w wyniku jednoczesnego

działania środowiska korozyjnego i naprężeo rozciągających stałych klub
zmiennych.

1. Naprężenie rozciągające powodujące korozję naprężeniową mogą

byd przyłożone z zewnątrz lub byd naprężeniem wewnętrznym

2. Naprężenia powodujące pęknięcia w wyniku korozji naprężeniowej

są znacznie mniejsze od granicy plastyczności i wytrzymałości metali i
stopów

29. Mechanizm korozji elektrochemicznej



Powierzchnia każdego metalu lub stopu może byd potraktowana jako
zbiór elektrod dodatnich i ujemnych krótko zwartych przez sam metal.



Między tak powstałymi elektrodami występuje różnica potencjałów.



Jeżeli na metal działa elektrolit, tworzą się lokalne mikroogniwa i
następuje lokalny przepływ prądu elektrycznego, któremu towarzyszą
reakcje chemiczne redukcji i utleniania.

a) Redukcja – reakcja katodowa, zachodzi na elektrodzie zwanej katodą i jest związana

z przepływem umownego prądu dodatniego z roztworu elektrolitu do elektrody (czyli
elektrony płyną odwrotnie – od katody do elektrolitu, biegun ujemny).

b) Utlenianie – występuje na anodzie, reakcja związana z przepływem dodatnich

ładunków elektrycznych z elektrody do elektrolitu (np. jony metalu)

30. Rodzaje ogniw korozyjnych

a) Ogniwa o różnych elektrodach – tworzą stykające się elementy z dwóch różnych

metali i stopów, lub połączone elementy z tego samego metalu, z których jeden jest
zgnieciony, a drugi wyżarzony. Mikroogniwa (np.: zanieczyszczenia, wtrącenia, różne
fazy stopowe) tworzą się także w stopach wielofazowych oraz metalach
polikrystalicznych.

b) Ogniwa stężeniowe – tworzone przez identyczne elektrody, zanurzone w

elektrolitach różniących się stężeniem. Stężeniowe ogniwo solne tworzą dwie
elektrody, np. miedziane, zanurzone w wodnym roztworze soli (np. siarczanu miedzi)
o różnym stężeniu w pobliżu każdej z elektrod. W wyniku reakcji zachodzących na
elektrodach występuje dążenie do wyrównania stężenia obu roztworów.

c) Stężeniowe ogniwo tlenowe – stanowi przyczynę korozji wżerowej licznych metali i

stopów odpornych na korozję w innych warunkach. Tworzą je dwie identyczne
elektrody, np. żelazne, zanurzone w rozcieoczonym wodnym roztworze soli (np.
chlorku sodu) o tym samym stężeniu, lecz w różnym stopniu nasyconych tlenem.
Mechanizm ten tłumaczy korozję szczelinową na granicy dwóch elementów
połączonych złączką śrubową, tworzenie się wżerów na granicy faz woda – powietrze
na produktach ze stali węglowej zanurzonych w wodzie.

d) Różnicowe ogniwa temperaturowe – złożone z elektrod z jednakowego metalu, lecz

o różnej temperaturze, zanurzonych w elektrolicie o tym samym składzie
chemicznym. Występują przede wszystkim w kotłach parowych, grzejnikach, etc.