Materiałoznawstwo chemiczne (metale, ceramiki i szkła)

1. Wybór materiału inżynierskiego – istotne właściwości,
2. Rodzaje materiałów inżynierskich i ich główne właściwości,

Wyróżnia się 5 grup materiałów stosowanych w technice: metale (i ich stopy), ceramiki (i szkła),
polimery, kompozyty i półprzewodniki. Pierwsze 4 grupy materiałów są stosowane na wszelkiego
rodzaju konstrukcje, natomiast cechą charakterystyczną ostatniej grupy materiałów są wyjątkowe
własności elektryczne.

Metale i ich stopy maja dobrą wytrzymałość mechaniczną i ciągliwość, dobrą
wytrzymałością, mechaniczną i ciągliwością, dobrą przewodność elektryczną i cieplną,
natomiast ich niedostatkiem jest względnie mała odporność korozyjna,

Ceramiki i szkła są wytrzymałe na działanie obciążeń ściskających, są dobrymi izolatorami
elektryczności i ciepła, mają dobrą odporność korozyjną i na działanie wysokich temperatur,
natomiast ich niedostatkiem jest to, że są kruche,

Polimery charakteryzują się względnie małą wytrzymałością mechaniczną, są izolatorami
elektryczności i ciepła podobnie jak ceramiki, natomiast nie nadają się do zastosowań
wysokotemperaturowych. Polimery termoplastyczne są ciągliwe, natomiast termoutwardzalne
są kruche,

Kompozyty są kompozycja uprzednio wymienionych materiałów, charakteryzują się
wyjątkowymi własnościami mechanicznymi niespotykanymi w pojedynczych materiałach,

Półprzewodniki charakteryzują się wyjątkowymi własnościami elektrycznymi co powoduje,
że są szczególnie użyteczne w urządzeniach elektronicznych i telekomunikacji.

3. Zależność między właściwościami materiału, jego strukturą i procesem wytwarzania,

Istnieją zależności między strukturą, procesem wytwarzania i własnościami pozwalają, przez
właściwy dobór składu chemicznego i sposób wytwarzania, na uzyskanie struktury zapewniającej
żądane własności użytkowe materiału,

4. Budowa atomu w świetle odkryć ostatnich lat,

W prostym planetarnym modelu struktury atomu przyjmuje się, że atom składa się z protonów i
neutronów tworzących dodatnio naładowane jadro atomu, w których jest skupiona prawie cała masa,
oraz elektronów krążących wokół jądra o ujemnym naładowaniu. Najmniejszym elementem, który
buduje wszystkie elementy atomu jest kwark. Liczba protonów w jądrze atomu decyduje o tym, jakiego
pierwiastka jest atom, natomiast o tym, jakiego typu wiązania tworzy dany atom, decyduje jego

struktura elektronowa

Wartość n

1

2

3

4

5

6

7

Symbol powłoki

K

L

M

N

O

P

Q

Liczba elektronów

2

8

18

32

50

72

98

Symbole podpowłok

s

p

d

f

g

h

i

Proton

( + )

1,672 * 10

-24

g

Neutron

( - )

1,675 * 10

-24

g

Elektron

9,1067 * 10

-28

g

5. Rodzaje wiązań między atomami; orientacyjne wartości energii ( w kJ/mol lub eV/atom),

Są dwa główne rodzaje wiązań między atomami, a mianowicie mocne wiązania pierwotne oraz słabe
wiązania wtórne. Wśród wiązań pierwotnych wyróżnia się wiązania jonowe, kowalencyjne i
metaliczne, natomiast wiązania wtórne mogą się tworzyć między atomami lub cząsteczkami
charakteryzującymi się trwałymi lub chwilowymi dipolami elektrycznymi.

Wiązania Metaliczne – wiązania chemiczne w metalach, które SA rezultatem przekształcenia
atomów tego samego metalu lub atomów różnych metali w zbiór kationów i swobodnie
poruszających się między nimi elektronów,

Wiązania Jonowe – wiązania chemiczne miedzy dwoma atomami różnych pierwiastków
utworzone wówczas, gdy jeden z atomów oddaje swoje elektrony stając się kationem, a drugi
przyłącza je stając się anionem; wiązanie jest rezultatem przyciągania kulombowskiego
jonów o przeciwnych ładunkach,

Wiązania kowalencyjne ( atomowe, walencyjne ) – wiązania chemiczne między dwoma
atomami utworzone dzięki uwspólnieniu elektronów wartościowości,

Wiązanie pierwotne – nazwa określająca wiązania jonowe, kowalencyjne lub metaliczne,

Wiązania poprzeczne – wiązania miedzy sąsiednimi łańcuchami polimeru,

Wiązania van der Waalsa – wiązania wtórne miedzy atomami lub cząsteczkami, które są
indukowanymi lub trwałymi dipolami,

Wiązania wodorowe - rodzaj stosunkowo słabego wiązania chemicznego polegającego
głównie na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem wodoru i atomem
elektroujemnym zawierającym wolne pary elektronowe. Oprócz przyciągania
elektrostatycznego, zachodzi przeniesienie ładunku z akceptora na atom wodoru i związane z
nim atomy, a także polaryzacja chmury elektronowej zarówno akceptora, jak i donora
wiązania wodorowego,

Wiązania wtórne – słabe wiązania międzyatomowe, których energia jest mniejsza niż 40 kJ/
mol; występuje dzięki temu, że atomy lub cząsteczki są dipolami; wiązaniami wtórnymi są
wiązania van der Waalsa i wiązania wodorowe,

Wiązania

Energia wiązania kJ/mol

Jonowe

600 - 1550

Kowalencyjne

500 - 1250

Metaliczne

100 - 850

Van der Waalsa

< 40

6. Geometria komórki elementarnej,

Komórka elementarna to wybrany w sieci punktowej, zwykle najmniejszy równoległościan o symetrii
takiej samej jak symetria całej sieci, którego powtarzanie w trzech wymiarach ściana do ściany,
odtwarza całą sieć

punktową.

Sieci Bravais’go

(sieci punktowe) –

czternaście możliwych sieci przestrzennych we których punkty sieciowe mają identyczne otoczenie
atomów, jonów lub cząsteczek w strukturze krystalicznej.

7. Rodzaje struktury krystalicznej metali (oznaczenia),

Większość metali ma jedną z trzech struktur krystalicznych:

Strukturę regularną ściennie centrowaną ( RSC , cF4 A1 ). Taką strukturę krystaliczną mają
między innymi: Cu, Al, Ni, Fe-γ, Ag, Au i Pb,

Strukturę regularną przestrzenie centrowaną ( RPC , cI2 , A2 ). W tej strukturze krystalizują:
Mo, W, V, Nb, Fe-α i Cr-α,

Strukturę heksagonalną zwartą ( HZ , hP2 , A3 ). Taką strukturę krystaliczną mają: Zn, Mg,
Cd, Ti-α i Zr-α

Rodzaj sieci przestrzennej

Oznaczenie

Prymitywna

P

Przestrzenie Centrowana

I

Ściennie Centrowana

F

Centrowana na Podstawie

C

Romboedryczna

R

Układ krystalograficzny

Oznaczenie

Regularny

c

Heksagonalny i trygonalny

h

Tetragonalny

t

Rombowy

o

Jednoskośny

m

Trójskośny

a

cF4  ( c  Regularna; F  Ściennie Centrowana; 4  4 atomy PS przypadające na komórkę )

PS – Punkt sieciowy: punkt tworzący sieć krystalograficzną; punkt o identycznym otoczeniu atomów,
jonów lub cząsteczek w strukturze krystalicznej.

A – Pierwiastki
B – Związki typu AB
C – Związki typu AB

2

Liczby oznaczają natomiast typ struktury w grupie: B1 – NaCl

Metale o strukturach krystalicznych RSC i HZ charakteryzują się najgęstszym ułożeniem atomów w
przestrzeni materiału.

8. Współczynnik Poissona,

Liczba (współczynnik) Poissona (v) – stosunek wywołanego przez naprężenia rozciągające
odkształcenia poprzecznego do odkształcenia wzdłużnego w zakresie odkształcenia sprężystego,

podawany ze znakiem ujemnym.

En – nominalne odkształcenie liniowe

Ep – odkształcenie poprzeczne

V – współczynnik Poissona

Odkształcenie – zmiana kształtu ciała stałego,

Odkształcenie nominalne (En) – stosunek przyrostu długości pod wpływem obciążenia do
długości początkowej,

Odkształcenie poprzeczne – zmniejszenie przekroju poprzecznego podczas wydłużania
materiału,

Odkształcenie rzeczywiste (odkształcenie logarytmiczne) – odkształcenie względne
odniesione do rzeczywistego przekroju; jest ono wyrażone przez logarytm naturalny stosunku
długości po odkształceniu do długości początkowej,

9. Moduł Younga,

Moduł Younga E (współczynnik sprężystości wzdłużnej) – stosunek naprężenia normalnego do
wywołanego odkształcenia sprężystego w zakresie odkształcenia sprężystego.

Naprężenie – siła przypadająca na jednostkę powierzchni, naprężenie nominalne (σ

n

) jest

odnoszone do przekroju poprzecznego próbki rozciąganej w stanie wyjściowym naprężenie
rzeczywiste (σ) odnosi się do aktualnego przekroju.

E – Moduł Younga, σ – Naprężenie, ε – Odkształcenie liniowe

Moduł sprężystości i temperatury topnienia rosną wraz ze wzrostem sił wiązań

Metal

Temperatura Topnienia [

o

C]

Moduł Younga [GPA]

Pb

327

14

Zn

420

43

Mg

649

45

Al.

660

71

Ag

962

76

Au

1064

82

Cu

1085

124

Ni

1455

214

Fe

1538

196

Cr

1863

289

Mo

2623

324

W

3422

411

10. Moduł Kirchhoffa,

Moduł Kirchhoffa G (współczynnik sprężystości poprzecznej) – stosunek naprężenia stycznego do
wywołanego odkształcenia postaciowego w zakresie odkształcenia sprężystego.

Odkształcenie postaciowe (γ) – tangens kąta ścięcia pod wpływem powstałych naprężeń

stycznych.

l

0

– długość początkowa, ω – długość odkształcenia

Naprężenia styczne (τ) – siła styczna przypadająca na jednostkę powierzchni.

F

s

– siła styczna, S - powierzchnia

Przy małych odkształceniach, odkształcenie postaciowe (γ) jest wprost proporcjonalne do

naprężenia stycznego (τ), a współczynnik proporcjonalności jest zwykle nazywany modułem
Kirchhoffa lub współczynnikiem sprężystości poprzecznej; jest oznaczony przez (G).

Dla większości metali G ≈ (3/8)E i v ≈ 0,33, natomiast dla innych materiałów zależność

między G a E może być znacznie bardziej złożona.

11. Statyczna próba rozciągania,
12. Ważniejsze wielkości określane w próbie rozciągania,

Próba rozciągania – badanie reakcji materiału na jednoosiowe powolne obciążenie; próba umożliwia
określenie granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie modułu Younga, wydłużenia,
przedłużenia.

Granica plastyczności Re – największe naprężenie nominalne w próbie rozciągania, do

osiągnięcia, którego materiał jedynie nieznacznie odkształca się trwale (plastycznie).
Wyróżnia się umowną granicę plastyczności która jest równa naprężeniu nominalnemu
odpowiadającemu działaniu siły rozciągającej wywołującej w próbce odkształcenie trwałe
wynoszące 0,2% ( R

0,2

) oraz w przypadku materiałów charakteryzujących się spadkiem

naprężeń po rozpoczęciu odkształcenia trwałego – górną i dolną granicę plastyczności.
Górna granica plastyczności (Re

H

) jest wyrażona przez maksymalne naprężenie nominalne

poprzedzające spadek naprężeń, natomiast dolna granica plastyczności (Re

L

) – przez

naprężenie nominalne w zakresie spadku naprężeń.

(a) Umowna granica sprężystości

F

0,05

– siła powodująca wydłużenie trwałe 0,05%

(b) Umowna granica plastyczności

F

0,2

– siła powodująca

wydłużenie trwałe 0,2%

(c) W y t r z y m a ł o ść n a

rozciąganie

F

m

– siła maksymalna

(d) Wydłużenie procentowe po rozerwaniu

l

U

–

d ł u g o ść

pomiarowa po rozerwaniu próbki

(e) P r z e w ęż e n i e

procentowe

S

U

– pole najmniejszego przekroju próbki po rozerwaniu

Umowna granica plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie są miarami wytrzymałości

materiału, natomiast wydłużenie i przewężenie są miarami ciągliwości.

Krzywe rozciągania różnią się znacznie dla różnych materiałów kruchych, takich jak szkło i

ceramiki, zniszczenie próbki następuje przed rozpoczęciem odkształcenia plastycznego,
dlatego dla tych materiałów Re i Rm są takie same.

Ze wzrostem temperatury granica plastyczności Re i wytrzymałości na rozciąganie Rm

maleją, a wydłużenie i przewężenie rosną. Zjawisko to jest wykorzystywane często podczas
obróbki plastycznej metali, które podgrzewa się w celu wzrostu ich plastyczności i
zmniejszenia oporów odkształcenia.

Granica proporcjonalności – największe naprężenie do osiągnięcia którego jest spełnione

prawo Hooke’a najwyższy punkt na krzywej rozciągania, do którego zależność między
naprężeniem i odkształceniem jest liniowa.

Granica sprężystości – największe naprężenie nominalne do osiągnięcia którego następuje

jedynie odkształcenie sprężyste, najwyższy punkt na krzywej rozciągania od którego po
usunięciu obciążenia materiał wraca do pierwotnych wymiarów. Umowna granica
sprężystości jest równa naprężeniu rozciągającemu odpowiadającemu działaniu siły
rozciągającej wywołującej w próbce wydłużenie trwałe wynoszące 0,05%.

Granica zmęczenia – maksymalne naprężenie, przy którym liczba cykli do zniszczenia

zmęczeniowego jest nieskończenie duża (lub większa niż 10

8

).

13. Twardość materiału,

Twardość – miara odporności materiału na penetrację lub zarysowanie przez twardy, ostry przedmiot,
istnieje wiele ogólnie stosowanych metod pomiaru twardości, np. Brinella, Rockwella, Vickersa.

14. Udarność – wyznaczanie, znaczenie rodzaju struktury,

Udarność – odporność na działanie trójosiowych naprężeń dynamicznych; miarą udarności jest
wartość energii koniecznej do zniszczenia próbki obciążonej udarowo.

Najczęściej stosowaną metodą pomiaru jest próba Charpy’ego. W tej metodzie energia

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

W celu kontrolowania procesu pękania, w środku długości próbki jest nacinany karb.

Najczęściej stosuje się dwa rodzaje karbów: Charpy’ego V i Charpy’ego U.

Zwykle stopy o dużych wartościach Re i Rm oraz A mają również dużą udarność. Chociaż

tak często bywa, to jednak udarność jest czuła na warunki przeprowadzania próby. Ważnym
czynnikiem jest temperatura, w której wykonuje się próbę oraz ostrość karbu.

Stopy o strukturze krystalicznej RSC charakteryzują się ciągliwym typem przełomu (dobrą

udarnością) niezależnie od temperatury badania, natomiast stopy o strukturze HZ są, ogólnie
biorąc, kruche. Bardzo dużymi zmianami sposobu pękania w zależności od temperatury
charakteryzują się stopy o strukturze krystalicznej RPC. Ich pękanie ma zwykle charakter
kruchy ( mała energia łamania) w temperaturach wyższych. Powierzchnia przełomu z zakresu
dużej udarności (przełom ciągliwy) jest mocno rozwinięta z charakterystycznymi kraterami,
co wskazuje na to, że pękaniu towarzyszy znaczne odkształcenie plastyczne materiału.
Przełom kruchy ma charakterystyczną powierzchnię łupliwą.

Udarność w zakresie przełomu ciągliwego zaleźy od czystości stali. Zmniejszenie ilości

zanieczyszczeń, a zwłaszcza zawartości siarki, prowadzi do wzrostu energii łamania w
zakresie ciągliwym. Dlatego stale, które powinny mieć dużą udarność, są w procesie
wytwarzania poddawane zabiegom usuwającym siarkę z ciekłej stali.

15. Odporność na pękanie,

Odporność na pękanie K

IC

– krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń; wartość

określająca zależność między wielkością pęknięcia a dopuszczalną wartością naprężenia, powyżej
której zachodzi szybkie rozprzestrzenianie się pęknięcia.

16. Zmęczenie materiału,

Zmęczenie – niszczenie materiału na skutek powolnie rozwijającego się z czasem pęknięcia; zachodzi
zwykle pod wpływem obciążeń cyklicznie zmiennych lub w środowiskach reaktywnych.

Zmęczenie Cieplne – zniszczenie zmęczeniowe spowodowane zmiennymi naprężeniami
powstałymi w wyniku zmian temperatury.

Ocenia się, że spośród zniszczonych podczas eksploatacji ruchomych części maszyn, 90%
stanowią zniszczenia zmęczeniowe.

W przypadku stali, poniżej pewnej aplitudy naprężeń, próbka nie ulega zniszczeniu nawet
przy bardzo dużej liczbie cykli. Tę graniczną amplitudę naprężeń nazywamy
wytrzymałością zmęczeniową. W przypadku innych stopów amplituda naprężeń maleje ze
wzrostem liczby cykli powodujących zniszczenie. W praktyce wytrzymałość zmęczeniową
stopów nieżelaznych definiuje się jako największą wartość amplitudy naprężeń nie
powodującej zniszczenia materiału podczas arbitalnie dużej liczby cykli (zwykle N = 10

8

).

Wytrzymałość zmęczeniowa stopów wynosi zwykle od ¼ do ½ Rm.

Zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej materiału jest możliwe przez eliminację lub
ograniczenie miejsc zarodkowania pęknięć zmęczeniowych. Innym sposobem poprawy
wytrzymałości zmęczeniowej jest wprowadzenie naprężeń ściskających w warstwę
powierzchniową materiału lub jej umocnienie. Wykonuje się to zwykle przez śrutowanie,
nawęglanie, azotowanie lub hartowanie.

17. Pełzanie materiału,

Pełzanie – zwiększającesię z czasem odkształcenie trwałe pod wpływem naprężenia; zachodzi
również pod wpływem naprężeń mniejszych od granicy plastyczności.

Temperatury, od których pełzanie staje się istotne, wynoszą od 0,3 do 0,5T

t

. W przypadku

konstrukci eksploatowanych powyźej tych temperatur naleźy się liczyć z wystąpieniem
procesu pełzania

Wiele polimerów, ze względu na niskie temperatury topnienia, pełza już w temperaturze

otoczenia.

W materiale obciążonym w wysokich temperaturach mogą zachodzić następujące procesy,
mające wpływ na szybkość zmian wymiarów (szybkość pełzania):

a. Dyfuzyjna migracja atomów,

b. Przemieszczanie dyslokacji,
c. Poślizg po granicach ziarn,

d. Zdrowienie, rekrystalizacja i rozrostziarn,
e. Wzrost cząstek fazy umacniającej (koagulacja).

18. Rodzaje roztworów stałych,

Roztwór stały – faza składająca się z więcej niż jednego pierwiastka I zachowująca typ

struktury krystalicznej rozpuszczalnika.

Rozpuszczalnik – główny składnik roztworu; pierwiastek lub związek.

Roztwór stały międzywęzłowy – roztwór stały, w którym względnie małę atomy składnika
rozpuszczonego nie zajmują położeń atomowych, lecz położenia w lukach między atomami
rozpuszczalnika tworzącymi strukturę krystaliczną. Roztwory międzywęzłowe z żelazem
tworzą C, N, B, H, i O, a podstawowe roztwory w stali – ferryt I austenit są tego typu.

Roztwór stały substytucyjny (różnowęzłowy lub podstawieniowy) – roztwór stały, w którym
atomy składnika rozpuszczonego zastępują atomy rozpuszczalnika ( zajmują położenia

atomów rodzimych). Roztwór Ni w Cu.

Roztwór stały uporządkowany – roztwór stał, w którym atomy każdego ze składników
zajmują ściśle określone położenia atomowe np. stop Cu-Au.

Roztwory stałe ciągłe – dwa składniki rozpuszczające się w sobie w dowolonych ilościach.
Aby dwa metale mogły utworzyć roztwór stały ciągły, muszą być spełnione określone przez
Hume-Rothery’ego warunki, a mianowicie metale te muszą mieć:

a. Taki sam typ struktury krystalicznej,
b. Mniejszą niż 15% różnicę w promieniach atomów,
c. Zbliżoną elektroujemność ( zdolność do przyciągania elektronów),
d. Taką samą wartościowość.

Jeżeli warunki te nie są spełnione, możliwa jest jedynie rozpuszczalność ograniczona. Na
przykład maksymalna rozpuszczalność Si w Al wynosi poniżej 2%, gdyż pierwaistki te nie
spełniają warunków 1, 2 i 4.

19. Punktowe defekty struktury krystalicznej,

Defekt struktury krystalicznej – lokalne zaburzenie struktury krystalicznej o charakterze punktowym,

liniowym lub powierzchniowym.

Defekt punktowy – zaburzenie strutury krystalicznej obejmujące swym zasięgiem jeden atom
lub niewiele atomów, np. wakancja lub atom rodzimy w położeniu międzywęzłowym.

Defekt Schottky’ego – defekt w krysztale jonowym składający się z wakancji anionowej i

kationowej.

Defekt Frenkla – defekt w krysztale jonowym składający się z wakancji kationowej i kationu
w położeniu midzywęzłowym

Wakancja – miejsce w strukturze krystalicznej, w którym brakuje atomu lub jonu; miejsce
z brakującym kationem nazywane jest wakancją kationową, natomiast z brakującym anionem
wakancją anionową.

Położenie (miejsce) atomowe – miejsce w strukturze krystalicznej czystego pierwiastka lub
roztworu substycyjnego zajmowane przez atom; w przypadku roztworów międzywęzłowych

miejsce w strukturze krystalicznej zajmowane przez atom rozpuszczalnika.

Przemieszczanie się atomów w ciele stałym dzięki aktywacji cieplnej jest nazywane dyfuzją.
Dyfuzyjny transport masy jest opisywany prawami Ficka i odbywa się dwoma mechanizmami:
wakancyjnym i międzywęzłowym. Energia aktywacji dyfuzji określa łatwość z jaką odbywa się
dyfuzyjne przemieszczanie się atomów; małej wartości energii aktywacji dyfuzji odpowiada duża
szybkość dyfuzji. Energia aktywacji dyfuzji jest mała w przypadku materiałów o niskiej temperaturze
topnienia, materiałów o małym stopniu wypełnienia przestrzeni przez atomy, dla dyfuzji mechanizmem
międzywęzłowym oraz dla dyfuzji po granicach ziarn. Wartość współczynika dyfuzji wyraża szbkość
z jaką odbywa się dyfuzyjny transport atomów i rośnie wykładniczo ze wzrostem temperatury.

Dyfuzja objętościowa – dyfuzja w całej przestrzeni ziarn,

Dyfuzja po granicach ziarn – cieplnie aktywowane przemieszczanie się atomów po granicy
ziarn (dyfuzja po granicach ziarn jest szybsza od dyfuzji objętościowej, ze względu na
luźniejsze ułożenie atomów w granicy).

Ziarno – pojedyńczy kryształ (krystalit) w polikrystalicznej mikrostrukturze.

20. Defekty liniowe (dyslokacje) struktury krystalicznej,

Dyslokacje są defektami liniowymi przemieszczającymi się pod działaniem naprężeń. Wyróżnia się
dwa skrajne rodzaje dyslokacji, a mianowice dyslokację krawędziową I dyslokację śrubową. Miarą
zaburzenia struktury krystalicznej wokół dyslokacji jest wektor Burgersa, który jest prostopadły do
dyslokacji krawędziowej, a równoległy do dyslokacji śrubowej.

Dyslokacja – liniowy defekt struktury krystalicznej, którego poślizg powoduje
przemieszczenie się jednej części kryształu względem drugiej na odległość równą długości

wektora Burgersa.

Dyslokacja jednostkowa – dyslokacja, dla której długość wektora Burgersa jest równa
odległości między identycznymi położeniami atomów w kierunku równoległym do wektora

Burgersa.

Dyslokacja krawędziowa – dyslokacja, dla której wektor zaburzenia (wektor Burgersa; wektor
poślizgu) jest prostopadły do linii dyslokacji.

Dyslokacja śrubowa – dyslokacja, dla której wektor zaburzenia (wektor Burgersa) jest
równoległy do linii dyslokacji.

Odkształcenie plastyczne materiału jest realizowane dzięki poślizgowemu przemieszczaniu się
dyslokacji. Dyslokacja stanowi granicę między tym obszarem kryształu, w którym dwie części
kryształu przemieściły się względem siebie, i tym obszarem, w którym przemieszczenie jeszcze nie
nastąpiło. Płaszczyzna, po której następuje poślizgowe przemieszczanie się dyslokacji jest nazywane
płaszczyzną poślizgu, natomiast kierunek względnego przemieszczania się części kryształu względem
siebie jest nazywany kierunkiem poślizgu. Płaszczyzna poślizgu i leżący w niej kierunek poślizgu
tworzą system poślizgu. O tym w jakich systemach zachodzi poślizg dyslokacji decyduje struktura
krystaliczna materiału. Poślizgowy ruch dyslokacji rozpoczyna się wówczas, gdy naprężenie w
płaszczyźnie i kierunku poślizgu osiągnie wartość krytyczną. Innym mechanizmem odkształcenia jest
bliżniakowanie mechaniczne. Zdolność materiału do odkształcenia plastycznego zależy od łatwości
z jaką mogą się w nim przemieszczać dyslokacje. Każde zaburzenie struktury krystalicznej czyni
poślizgowy ruch dyslokacji trudniejszym, gdyż pole odkształcenia wokół zaburzenia oddziałuje
z polem odkształcenia wokół przemieszczającej siś dyslokacji. Wartość przyrostu wytrzymałości,
nazywana umocnieniem, spowodowana defektami struktury krystalicznej. Ze względu na wymiary
przeszkód dla poślizgowego ruchu dyslokacji wyróżnia się umocnienie roztworowe, dyslokacyjne
(odkształceniowe), wydzieleniowe lub cząstkami innej fazy oraz przez rozdrobnienie ziarna.

Umocnienie odkształceniowe – wzrost naprężeń, przy których zachodzi płynięcie plastyczne
materiału spowodowane wcześniejszym odkształceniem plastycznym.

Umocnienie roztworowe – wzrost wytrzymałości roztworu stałego spowodowany
oddziaływaniem między dyslokacjami i atomami dodatku stopowego.

21. Odmiany alotropowe żelaza,

Żelazo tworzy cztery odmiany alotropowe:

Fe - α (trwała w temperaturze do 768

o

C, ma własności feroomagnetyczne) żelazo alfa

krystalizuje w sieci przestrzenie centrowanej A2,

Fe - β (trwała w temperaturze od 768 do 910

o

C, ma własności parramagnetyczne),

Fe - γ (trwała w temperaturze od 910 do 1400

o

C) żelazo gamma krystalizuje w sieci

płaskocentrycznej A1,

Fe - δ (trwałą powyżej 1400

o

C).

22. Reguła faz Gibsa; faza ; składniki układu,

Fazą nazywa się część układu oddzieloną od reszty układu wyraźną granicą, na której przynajmniej
niektóre makroskopowe własności chemiczne lub fizyczne ulegają skokowej zmianie. Fazy są zwykle

oznaczane literami greckimi.

Faza pośrednia – faza o właściwej sobie strukturze krystalicznej, utworzona co najmniej
z dwóch pierwiastków lub związków chemicznych; faza pośrednia, w której dominiują
wiązania metaliczne, jest również nazywana fazą międzymetaliczną.

Faza przejściowa – tworząca się w warunkach dużego przechłodzenia faza nierównowagowa
(metastabilna) stanowiąca etap pośredni podczas przemian fazowych.

Składnikami ukłądu nazywa się pierwiastki lub związki niezbędne do utworzenia wszytskich faz
występujących w danym układzie. Na przykład w satnie satłym Cu i Ni rozpuszczają się w sobie
nieorgraniczenie. W ukłądzie Cu-Ni występuje zatem w satnie stałym tylko jedna faza (roztwór stały),
natomiast układ jest dwuskładnikowy, gdyż do utworzenia roztworu są konieczne atomy Cu i Ni
Skłądnikami układu mogą być również związki chemiczne. Na przykład w ukłądzie MgO – Al

2

O

3

składnikami są związki chemiczne MgO i Al

2

O

3

.

Składnik strukturalny – część struktury materiału o określonej i charakterystycznej
mikrostrukturze, którą można zidentyfikować za pomocą badań mikroskopowych, np. perlit,

ledeburyt przemieniony, ferryt przedeutektoidalny.

Liczba stopni swobody to liczba możliwych w układzie zmiennych niezależnych, których zmiana nie
powoduje zmiany liczby faz. Zmiennymi niezależnymi stanu układu są temperatura, skład (stężenie
składników) i ciśnienie. Czysty pierwiastek w temperaturze topnienia (T

t

) ma zero stopni swobody,

gdyż w temperaturze T

t

istnieją w równowadze dwie fazy (ciekła i stała), a wzrost temperatury lub jej

obniżenie powoduje zmiany stanu układu: sopienie się fazy stałej przy wzroście temperatury lub
skrzępnięcie cieczy przy obniżeniu temperatury.

W warunkach równowagi fazowej między liczbą stopni swobody, liczbą składników i liczbą faz
istnieje ścisła zależność wyrażona regułą faz Gibbsa.

s – liczba stopni swobody, n – liczba składników, f – liczba faz

Wykres fazowy – wykres przedstawiający obszary wys†epowania i składy poszczególnych faz,
przedstawiany we współrzędnych, temperatura na osi rzędnych i czas na osi odciętych.

Likwidus – linia na dwuskładnikowym wykresie fazowym łącząca temperatury, powyżej których
występuje jedynie ciecz.

Solidus – linia na dwuskładnikowym wykresie fazowym, poniżej której są stabilne jedynie fazy stałe.

23. Wykres fazowy dla 2 składników o nieograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym – opisz

zmiany faz podczas chłodzenia,

Krzepnięcie stopu o tym składzie rozpoczyna się w temperaturze T

1

. W tej temperaturze ciecz o

składzie punktu l jest w równowadze z roztworem stałym o składzie punktu p. Powstające w tym stopie
pierwsze kryształy mają skład punktu p. Ze względu na to, że tworzące się kryształy zawierają
znacznie więcej składnika A niż wynosi jego zawartość w stopie, ich tworzenie się powoduje
wzbogacenie cieczy w składnik B. Podczas bardzo powolnego obniżania temperatury stopu

(powolnego krzepnięcia) skład cieczy zmienia się wzdłuż linii likwidusu, natomiast skład kryształów
roztworu stałego będących w równowadze z cieczą zmienia się wzdłuż linii solidusu. Zmiana składu
wcześniej uworzonych obszarów kryształów roztworu stałego następuje poprzez dyfuzję w stanie
stałym. Proces dyfuzji w stanie stałym jest bardzo powolny i dlatego warunki zbliżone do
równowagowych osiąga się tylko przy bardzo powolnym chłodzeniu. W temperaturze pośredniej T

2

ciecz o składzie m jest w równowadze z roztworem stałym o składzie q. Żrzepnięcie analizowanego
stopu zostaje zakończone w temperaturze T

3

, gdy krzepnie ostatnia kropla cieczy o składzie n. W tej

temperaturze skład kryształów jest taki sam jak skład analizowanego stopu.

24. Wykres fazowy dla 2 składników nie rozpuszczających się wzajemnie w stanie stałym – opisz

zmiany faz zachodzące podczas chłodzenia,

Krzepnięcie stopu rozpoczyna się w temperaturze T

1

, natomiast tworzącą się fazą stałą są kryształy

czystego składnika A. Wydzielanie kryształów czystego składnika A powoduje wzrost stężenia
składnika ļ w cieczy, której skład z obniżeniem temperatury zmienia się wzdłuż linii likwidusa do
składu punktu E. Krzepnięcie stopów o składach leżących na prawo od punktu E przebiega podobnie.
W tym przypadku tworzą się kryształy czystego składnika B, natomiast z obniżaniem temperatury
skład cieczy zmiania się wzdłuż linii likwidusu również do składu punktu E. Niezależnie zatem od
tego, z której strony punktu E znajduje się skład rozpatrywanego stopu, pozostała w temperaturze
punktu E ciecz ma taki sam skład. Ciecz o składzie punktu E jest nazywana cieczą eutektyczną,
natomiast jej skład – składem eutektycznym. Stopy o składach leżących na lewo od składu
eutektycznego są nazywane stopami podeutektycznymi, natomiast leżące na prawo stopami
nadeutektycznymi. Z cieczy o składzie eutektycznym wydzielają się jednocześnie kryształy składnika
A i B, gdyż skład eutektyczny leży zarówno na lini początku wydzielania się kryształów A (linia DE),
jak i wydzielania się kryształów B (linia FE). Podczas krzepnięcia cieczy o skLadzie eutektycznym w
stopie współistnieją trzy fazy (zero stopni swobody) i w rezultacie ciecz eutektyczna krzepnie w stałej
temperaturze. Dalsze obniżanie się temperatury stopu będzie możliwe dopiero po całkowitym
skrzepnięciu cieczy. Powstająca z cieczy o składzie eutektycznym mieszanina kryształów A i B jest
nazywana eutektyką lub mieszaniną eutektyczną. Eutektyki są drobnoziarniste, gdyż tworzą się w
najniższych temperaturach krzepnięcia, a rozsegregowanie składników następuje w wyniku dyfuzji,
której szybkość maleje wykładniczo wraz z obniżaniem temperatury.

25. Wykres fazowy dla 2 składników o ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym – opisz zmiany

zachodzące podczas chłodzenia,

Likwidusem na tym wykresie jest linia CED, solidusem – linia CFEGD, natomiast linie FH i GI są
liniami ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym – odpowiednio, składnika B w A i
składnika A w B. Struktura krystaliczna fazy α jest zawsze taka sama jak składnika A, a fazy β - jak
składnika B, gdzyż składnik A jest w fazie α rozpuszczlanikiem dla składnika B, natomiast w fazie β -
składnik B dla A. Utworzona podczas chłodzenia mikrostruktura stopu eutektycznego składa się z na
przemian ułożonych płytek faz α i β. Nie zawsze fazy eutektyki mają kształt płytek. Czasami cząstki
jednej z faz mogą mieć kształt listew lub nawet kształt płytek. Czasami cząstki jednej z faz mogą mieć
kształt listew lub nawet kształt zbliżony do równoosiowego, a druga faza tworzy wtedy osnowę.

26. Na przykładzie wybranego wykresu fazowego wyjaśnij regułę dźwigni określania masy 2 faz

stałych lub fazy stałej i ciekłej współistniejących w określonej temperaturze,

Reguła dźwigni – równanie służące do określania składu i udziału poszczególnych faz w mieszninie
faz znajdujących się w stanie równowagi.

Oznaczając masę roztworu ciekłego (L) przez m

L

oraz masę roztworu stałego (α) przez m

α

i

przyjmując masę stopu równą 100 g, z bilansu masy otrzymujemy:

Moliwe jest wykonanie niezależnego bilansu masy dla każdego ze składników stopu. W przypadku
składnika B jego zawartość w temperaturze T

1

wynosi: w cieczy 70%, w roztworze stałym 20%, a

średnia zawartość w stopie 40%, zatem:

Zrozwiązania tych dwóch równań otrzymujemy:

W celu uzyskania ogólnego wyrażenia na ilości poszczególnych faz obecnych w stopie dwufazowym
przeprowadzimy bilans masy na symbolach ogólnych. Oznaczając w tym celu fazy przez α i β, ich
składy odpowiednio przez c

α

i c

β

, a skład stopu przez c, otrzymujemy:

Z tego rownania można uzyskać zależności wyrażające względne udziały poszczególnych faz przez
ich składy, a mianowicie:

Powyższe zależności stanowią podstawę reguły dźwigini. Źastosowanie dźwigni do przedstawienia
graficznego tych zależności umożliwia szybką ocenę wizualną względnych udziałów poszczególnych
faz w obszarze dwufazowym. Punkt podparcia dźwigni odpowiada składowi stopu. Dlugości jej ramion
odpowiadają natomiast różnicy między składem stopu i składem faz α oraz β. Na końcach ramion
dźwigni odpowiadających poszczególnym fazom są zawieszone masy tych faz. Aby dźwignia była w
równowadze, momenty poszczególnych mas wzgłedem punktu c muszą być równe:

Względne udziały poszczególnych faz muszą być zatem równe względnej długości przeciwległych
ramion dżwigni, to jest:

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

eutektycznym,

Krzepnięcie stopu rozpoczyna się w temperaturze T

1

, natomiast tworzącą się fazą stałą są kryształy

czystego składnika A. Wydzielanie kryształów czystego składnika A powoduje wzrost stężenia
składnika ļ w cieczy, której skład z obniżeniem temperatury zmienia się wzdłuż linii likwidusa do
składu punktu E. Krzepnięcie stopów o składach leżących na prawo od punktu E przebiega podobnie.
W tym przypadku tworzą się kryształy czystego składnika B, natomiast z obniżaniem temperatury
skład cieczy zmiania się wzdłuż linii likwidusu również do składu punktu E. Niezależnie zatem od
tego, z której strony punktu E znajduje się skład rozpatrywanego stopu, pozostała w temperaturze
punktu E ciecz ma taki sam skład. Ciecz o składzie punktu E jest nazywana cieczą eutektyczną,
natomiast jej skład – składem eutektycznym. Stopy o składach leżących na lewo od składu
eutektycznego są nazywane stopami podeutektycznymi, natomiast leżące na prawo stopami
nadeutektycznymi. Z cieczy o składzie eutektycznym wydzielają się jednocześnie kryształy składnika
A i B, gdyż skład eutektyczny leży zarówno na lini początku wydzielania się kryształów A (linia DE),
jak i wydzielania się kryształów B (linia FE). Podczas krzepnięcia cieczy o skLadzie eutektycznym w
stopie współistnieją trzy fazy (zero stopni swobody) i w rezultacie ciecz eutektyczna krzepnie w stałej
temperaturze. Dalsze obniżanie się temperatury stopu będzie możliwe dopiero po całkowitym
skrzepnięciu cieczy. Powstająca z cieczy o składzie eutektycznym mieszanina kryształów A i B jest
nazywana eutektyką lub mieszaniną eutektyczną. Eutektyki są drobnoziarniste, gdyż tworzą się w
najniższych temperaturach krzepnięcia, a rozsegregowanie składników następuje w wyniku dyfuzji,
której szybkość maleje wykładniczo wraz z obniżaniem temperatury.

28. Różnica między przemianą eutektyczną i eutektoidalną,

Jeżeli ozpuszczalność składników w stanie stałym jest ograniczona, to może wystąpić przemiana
eutektyczna, podczas której z cieczy w stałej temperaturze tworzy się mikrostruktura składająca się
z dwóch faz stałych. Przemianą bardzo podobną do przemiany eutektycznej, jednak zachodzącą w

stanie stałym, jest przemiana eutektoidalna, podczas której przy chłodzeniu faza stała przemienia się w
mikrostrukturę składającą się z dwóch faz stałych. Inną przemianą zachodzącą w stałej temperaturze
jest przemiana perytektyczna, podczas której przy chłodzeniu z fazy stałej i fazy ciekłej tworzy się faza
stała.

Skład eutektoidalny – skład roztworu stałego, z którego podczas chłodzenia tworzą się w
stałej temperaturze jednocześnie dwie fazy stałe (w przypadku stali γ → α + Fe

3

C).

Skład eutektyczny – skład roztworu ciekłego, z którego podczas chłodzenia tworzą się w
stałej temperaturze jednocześnie dwie fazy stałe (w przypadku stali L → γ + Fe

3

C).

29. Procesy zachodzące w wielkim piecu,

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

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

Pierwiastki występujące w stalac można podzielić na trzy grupy:

Pierwiastki konieczne ze względów metalurgicznych, zwane składnikami zwykłymi. Należą
do nich: mangan, krzem, a niekiedy aluminium. Pierwiastki te są dodoawane do celu
odtleniania stali (umożliwiają uzyskanie stali).

Pierwiastki, których usuwanie poniżej pewnych granic jest ekonomicznie nieopłacalne lub w
ogóle niemożliwe, zwae zanieczyszczeniami. Są to: siarka, fosfor, tlen, azot i wodór.

Pierwiastki wprowadzane do stali celowo, dla nadani jej własności związanych z zawartością
danego pierwiastka, zwane pierwiastkami stopowymi. Najczęściej stosowane w tym elu są:
mangan, krzem, nikiel, chrom, molibden, wolfram, wanad, miedź i bor.

32. Stal nie uspokojona i uspokojona,

Ilość wydzielanego podczas krzepnięcia stali CO jest kontrolowana przez dozowanie odtleniaczy. W
zależności od stopnia odtlenienia wyróżnia się stal: nieuspokojoną, półuspokojoną i uspokojoną.

Stal nieuspokojona jest odtleniona tylko w takim stopniu, aby reakcja wydzielania CO
rozpoczęła się z chwilą wlania stali do wlewnicy. Krzepnięciu wlewka z takiej stali
towarzyszy intensywne wydzielanie gazów (gotowanie się stali), natomiast w zakrzepłym
wlewku występują liczne pęcherze. We wlewku stali nieuspokojonej, ze względu na
turbulencje w ciekłej stali wywołane wydzielaniem się gazu podczas krzepnięcia, występuje
silna segregacja siarki, fosforu i węgla, a w przypadku stali stopowych – również dodanych
pierwiastków. Z tej przyczyny jako nieuspokojone można produkować jedynie stale nie
stopowe do zawartości 0,25% C. W górnej części wlewka stali nieuspokojonej nie ma

zagłębienia nazywanego jamą usadową lub jamą skurczową, gdyż związany z krysalizacją
skurcz jest kompensowany tworzące się pęcherze.

Stal półuspokojona jest również odtleniona niezupełnie, jednak w większym stopniu niż
nieuspokojona. W takiej stali tworzenie CO powinno się rozpoczynać dopiero w końcowej
fazie krzepnięcia wlewka. Stale półuspokojone są odtleniane Mn i niewielkimi ilościami Si, a
czasami Al. Zawarość Si w takich stalach wynosi 0,05 ÷ 0,12 %.

Stal uspokojona jest odtleniona w takim stopniu, aby podczas krzepnięcia nie następowało
wydzielanie gazów. Odtlenianie przeprowadza się Mn, Si, a niekiedy również Al. Zawartość
Si w tych stalach jest większa niż 0,17 %. Górna gczęść wlewka stali uspokojonej, w której
znajduje się jama usadowa spowodowana skurczem stali podczas krystalizacji, stanowi odpad
wynoszący ok. 15 ÷ 18 % wlewka. Jest to podstawową wadą odlewania stali uspokojonej od
wlewnic.

33. Podział stali w zależności od przeznaczenia,

W zależności od przeznaczenia stali można rozróżnić:

Stale konstrukcyjne – niestopowe (węglowe), niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości,
do nawęglania, do azotowania, do ulepszania cieplnego, sprężynowe, łożyskowe,

Stale narzędziowe (stale wyżej węglowe) – niestopowe (węglowe), do pracy na zimno, do
pracy na gorąco, szybkotnące,

Stale o szczególnych własnościach – odporne na korozję i utlenianie, o szczególnych
własnościach magnetycznych.

34. Hartowanie, odpuszczanie, martenzyt,

Hartowanie – zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali w celu utworzenia austenitu
z następnym szybkim chłodzeniem dla utworzenia martenzytu (niekiedy bainitu).

Odpuszczanie – nagrzewanie zahartowanej stali (zwykle o strukturze martenzytycznej) w celu
zwiększenia plastyczności; podczas nagrzewania następuje zanik naprężeń, wydzielanie węglików i

zdrowienie struktury dyslokacyjnej.

Martenzyt – przesycony roztwór węgla w żelazie α utworzony podczas bezdyfuzyjnej
(martenzytycznej) przemiany austenitu.

Martenzyt odpuszczony – dwufazowa mikrostruktura składająca się z przesyconego węglem ferrytu i
węglików, tworząca się podczas podgrzewania z martenzytu.