1 Budowa atomu i wpływ na własności pierwiastków.

Wpływ jądra atomowego
-ciężar (im większa suma protonów i neutronów tym większa masa)
-liczba masowa
2. Klasyfikacja podstawowych grup materiałów inżynierskich i ich własności
Materiały naturalne(wymagające tylko nadania kształtu do technicznego zastosowania):
drewno, kamienie, skały, minerały
Materiały inżynierskie(nie występują w naturze, złożonych procesów wytwórczych do ich
przystosowania do użytku technicznego):
metale, stopy, polimery, mat.ceramiczne, mat.kompozytowe
3. Jakie typy wiązao międzyatomowych występują w poszczególnych materiałach inżynierskich?

5. Na czym polega wiązanie jonowe metaliczne kowalencyjne cząsteczkowe; narysowad schemat i
podad przykłady.

Wiązanie jonowe

Wiązanie metaliczne (polega na tworzeniu chmury elektronów powstałej z 2 zewnętrznych powłok
metali.

Wiązanie kowalencyjne

6. Na czym polega różnica między materiałami krystalograficznymi a amorficznymi?

W materiałach krystalograficznych stan skupienia materii powoduje, że cząsteczki, atomy lub jony nie
mają pełnej swobody przemieszczania się w objętości ciała, gdyż zajmują ściśle określone miejsca w
sieci przestrzennej i mogą jedynie drgad w obrębie zajmowanych przez siebie miejsc. Kryształ, w
odróżnieniu od ogólnie rozumianego ciała stałego, posiada symetrię translacyjną, która odróżnia go
od ciał amorficznych.

W materiałach amorficznych nie występuje dalekosiężne uporządkowanie cząsteczek. Ciało będące w
stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie może płynąd), ale tworzące je cząsteczki są ułożone
sposób dośd chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach.

7. Czym charakteryzują się kryształy metali?

Kryształ metalu charakteryzuje się tym, że atomy danego metalu są ułożone w stałym stanie
skupieniu w siatce krystalicznej. Ich jedyny ruch może polegad na drganiach atomów. Nie mogą, zaś
swobodnie się przemieszczad, ponieważ zajmują konkretne miejsce w siatce krystalicznej.

8. Jakie znasz elementy sieci przestrzennej kryształu?

- płaszczyzny sieciowe

- proste sieciowe, będące śladami przecięcia płaszczyzn sieciowych

- węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych; węzły sieci prymitywnej
odpowiadają położeniu środków atomów kryształów.

9. Na czym polegają różnice i podobieostwa między sieciami: regularną płasko-centryczną,
regularną przestrzennie-centryczną i heksagonalną zwartą?

Sied RSC – regularna płasko – centryczna A1. Jej elementarną komórkę w kształcie sześcianu tworzy
14 rdzeni atomowych (8 w narożach, 6 w środku geometrycznym ścian bocznych sześcianu). Sied ta
jest najgęściej wypełniona rdzeniami atomowymi. Jej liczba koordynacyjna l

k

określająca gęstośd

wypełnienia rdzeniami = 12. W sieci A1 między węzłami tworzą się luki.

Sied RPC – regularna przestrzennie – centryczna A2. Elementarna komórka składa się z 9 rdzeni
atomowych (8 w narożach i 1 w środku geometrycznym). W sieci A2 występują luki oktaedryczne i
luki tetraedryczne.

Sied HGU – heksagonalna zwarta – 3 elementarne komórki sieciowe SA złożone z 17 rdzeni
atomowych (12 w narożach prostopadłościanu o podstawie sześciokąta foremnego, 2 w środku
geometrycznym podstaw i 3 usytuowane symetrycznie we wnętrzu elementarnej komórki sieciowej.
Luki oktaedryczne i tetraedryczne są identyczne jak w sieci A1.

10. Na czym polega alotropia metali?

Alotropia (polimorfizm) występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w 2 lub kilku formach
krystalicznych (np. węgiel w postaci grafitu, diamentu i fullerenów) lub cząsteczkowych (tlen O

2

i

ozon O

3

), zw. odmianami alotropowymi.

Każda odmiana alotropowa jest trwała w pewnym zakresie temperatury i ciśnienia.
Do metali mających odmiany alotropowe Fe-α o sieci A2, Fe-γ o sieci A1, Fe-δ o sieci A2.

11. Co to są stopy, jaki jest cel wytwarzania stopów?
Stop metali – jest mieszaniną dwóch lub większej ilości metali lub metalu z innymi pierwiastkami
niemetalicznymi, doprowadzoną do temperatury powyżej temperatury topnienia, a następnie
schłodzoną. Stop najczęściej posiada odmienne charakterystyki od jego elementów składowych.
Wprowadzenie niewielkiej ilości jakiegoś pierwiastka powoduje duże zmiany w właściwościach
pierwiastków np. może się zmienid twardośd ,odpornośd na kolizję ,właściwości elektryczne,
wytrzymałośd i twardośd stopu jest większa.

12. Klasyfikacja roztworów stałych

-międzywęzłowe graniczne ekspansja

-różnowęzłowe ciągłe lub graniczne – ekspansja lub kontrakcja

13. Czynniki warunkujące ich tworzenie, rodzaje umocnienia stopów.

Umocnienie roztworów stałych

Stopy jednofazowe o strukturze roztworów stałych wykazują zwykle wyższe właściwości
wytrzymałościowe niż czyste metale. Umocnienie poprzez tworzenie się roztworu stałego wiąże się z
działaniem jednego lub kilku mechanizmów dyslokacyjnych:

•blokowaniem dyslokacji w położeniach wyjściowych,
•zmniejszeniem szybkości ruchu dyslokacji w wyniku zwiększenia naprężenia tarcia sieci,
•utrudnieniem w pokonywaniu przeszkód przez dyslokacje w wyniku ograniczenia poślizgu
poprzecznego

14. Co to jest stal, żeliwo?
Stale - stopy o zawartości węgla C > 2% odlewane i poddawane obróbce plastycznej
Staliwa – stopy o zawartości C> 2% tylko odlewane
Żeliwa- surówki (stopy żelaza zawierające 2% C) przetopione w piecu elektrycznym lub żeliwiaku,
często z dodatkiem złomu

15. Jak sklasyfikowano stale i staliwa węglowe (wg zawartości węgla i przeznaczenia)
Klasyfikacja wg zawartości węgla:
- stal ferrytyczna <0,1%C
- stal ferrytyczno-perlityczna <0,4%C
-stal ferrytyczno-perlityczna < 0,6%C
-stal eutektoidalna 0,77% C
Klasyfikacja wg przeznaczenia:
-stale konstrukcyjne
-stale narzędziowe

16. Jaki jest wpływ węgla na strukturę i własności stali?
Wraz ze wzrostem zawartości węgla:
-wzrasta twardośd stali
-maleje parametr wydłużenia
-maleje parametr przewężenia
-zwiększa się granica plastyczności
-zwiększa się wytrzymałośd na rozciąganie

17a. Czym charakteryzują się i jakie jest przeznaczenie stali konstrukcyjnych- podaj przykłady.
Stal konstrukcyjna – stal używana do budowy konstrukcji stalowych i części urządzeo i maszyn o
typowym przeznaczeniu. Gdy konstrukcja lub element urządzenia pracuje w trudnych lub
ekstremalnych warunkach atmosferycznych, wytężeniowych lub cieplnych, stosuje się stale
specjalne.
Stal konstrukcyjna dostarczana jest w szerokiej gamie wyrobów hutniczych.
Stale konstrukcyjne dzieli się na:
stal konstrukcyjna ogólnego przeznaczenia
stal konstrukcyjna wyższej jakości
stal konstrukcyjna niskostopowa
stal do nawęglania
stal do azotowania
stal do ulepszania cieplnego
stal sprężynowa
stal automatowa
stal na łożyska toczne
stal transformatorowa

17b. Czym charakteryzują się i jakie jest przeznaczenie stali narzędziowych- podaj przykłady.

Stal narzędziowa – stal do produkcji narzędzi, elementów przyrządów pomiarowych oraz
odpowiedzialnych uchwytów. Stale narzędziowe charakteryzują się wysoką twardością, odpornością
na ścieranie, niewielką odkształcalnością i niewrażliwością na przegrzanie. Cechy te osiąga się przez
wysoką zawartośd węgla i odpowiednią obróbkę cieplną przy narzędziach mało odpowiedzialnych
oraz użycie odpowiednich dodatków stopowych połączone z odpowiednią obróbką cieplną w
przypadku odpowiedzialnych narzędzi.

Stale narzędziowe dzieli się na:

stale narzędziowe węglowe

-stal narzędziowa, która nie posiada większej ilości dodatków stopowych

oprócz węgla, którego zawartośd mieści się w granicach 0.5% - 1.3%. Innymi cechami odróżniającymi
stale węglowe narzędziowe od stali konstrukcyjnej jest zmniejszona zawartośd manganu i
drobnoziarnistośd.

stale narzędziowe stopowe:

-stale do pracy na zimno- stal stopowa narzędziowa stosowana na narzędzia do obróbki skrawaniem i
plastycznej, które mogą się tylko nieznacznie nagrzewad w czasie pracy. Tego rodzaju stali używa się
także do produkcji przyrządów pomiarowych. Od stali do pracy na zimno wymaga się, by zachowała
swoje właściwości do temperatury +200 °C.
-stale do pracy na gorąco-stal stopowa narzędziowa stosowana na narzędzia do obróbki plastycznej
na gorąco i do budowy form odlewniczych narażonych na bardzo wysokie temperatury w czasie
pracy. Wymaga się, by stale te zachowały swoje właściwości do temperatury +600°C. Osiąga się to
poprzez zastosowanie wolframu i molibdenu jako dodatków stopowych nawet do 8-10%
-stale szybkotnące-stal stopowa narzędziowa używana do wytwarzania narzędzi do obróbki
skrawaniem przy dużych prędkościach skrawania. Wymaga się od nich zachowania twardości i
kształtu, aż do temperatury +600°C. Cechę tę realizuje się przez zastosowanie dodatków stopowych -
węgla 0,75-1,3% chromu 3,5-5,0%, wolframu 6-19%, wanadu 1,0-4,8%, molibdenu 3,0 do 10%,czy
kobaltu 4,5-10,0%, oraz odpowiednią obróbkę cieplną. W jej czasie dokonuje się wyżarzania, tak by
dodatki stopowe utworzyły związki z węglem, tzw. węgliki, które w znacznym stopniu muszą się
rozpuścid w ferrycie. Wymaga to bardzo uważnej i długotrwałej obróbki.

18. cel wprowadzania pierwiastków stopowych do stali
DEFINICJA DODATKÓW STOPOWYCH
Dodatkami stopowymi są nazywane pierwiastki wprowadzane do stali celowo
w ilości przekraczającej minimalne stężenie, przy ktorym nie stwierdza się wyraźnego
wpływu pierwiastka na strukturę i własności stali. Stal zawierająca dodatki
stopowe jest nazywana stalą stopową (porownaj rozdz. 6.1.2, tabl. 6.2).
Do najczęściej stosowanych pierwiastkow stopowych należą: Mn, Si, Cr, Ni, W,
Mo, V; bardzo często są dodawane Al, Co, Cu, Ti i Nb. Coraz częściej – jako pierwiastki
stopowe – są stosowane N, B, a nawet P i S.

CELOWOŚD WPROWADZANIA PIERWIASTKÓW STOPOWYCH



Dodatki stopowe są wprowadzane do stali w celu:



spowodowania określonych zmian strukturalnych,



zwiększenia własności wytrzymałościowych i polepszenia niektórych własności



chemicznych lub fizycznych,



zwiększenia hartowności,



polepszenia efektywności i ułatwienia obróbki cieplnej.

19. Jak pierwiastki stopowe wpływają na przemianę austenitu?
Pierwiastki stopowe znajdujące się w roztworach stałych (ferrycie lub austenicie) wpływają
na własności mechaniczne tych faz, na położenie temperatur krytycznych przemiany
austenitu lub szybkośd dyfuzji, na przemianę martenzytyczną i skłonnośd do odpuszczania.
Wchodzenie pierwiastków stopowych do innych faz działa w bardziej złożony sposób, gdyż z
jednej strony następuje zubożenie roztworu stałego w te pierwiastki, a z drugiej — w
zależności od własności wydzielonych faz, ich kształtu i dyspersji, ich wpływ na własności
mechaniczne może byd różny.

20. Jaki wpływ mają pierwiastki stopowe na własności stali zwłaszcza Cr, Mn, Ni?

Większośd stali – to stale niskostopowe, zawierające do ok. 5% pierwiastków stopowych.
Stale stosuje się zawsze w stanie obrobionym cieplnie, często hartowanym i odpuszczonym.
Pierwiastki stopowe zwiększają hartownośd stali, co pozwala na stosowanie łagodniejszych, bardziej
korzystnych ośrodków chłodzących (mniejsze naprężenia).
Grupy stali, np.: do ulepszania cieplnego (Cr, Ni, Mn), sprężynowe (Si), na łożyska toczne (Cr i
C=1%)
Obliczenia konstrukcyjne bazują na granicy plastyczności. Stale stopowe maja wyższą granicę
plastyczności niż niestopowe, co pozwala na wykonanie lżejszych konstrukcji i oszczędnośd
materiału.
Pierwiastki stopowe zapewniają dużą hartownośd, dużą twardośd i zachowanie dużej twardości
podczas pracy w podwyższonej temperaturze.
Stale odporne na korozję
Zawartośd Cr > 13%. Przy takiej zawartości Cr na powierzchni stali powstaje warstwa pasywna,
zbudowana z tlenków Cr i Fe, o zwartej budowie, spójna z podłożem, odnawiająca się, chroniąca
metal przed korozją, tak jak np. powłoka malarska.
Stale kwasoodporne:
Przy dużej zawartości Cr i Ni, np. 18% Cr i 9% Ni stale mają strukturę austenitu stopowego o dużej
odporności na działanie kwasów nieorganicznych i organicznych.
Zastosowanie:
Narzędzia chirurgiczne, pomiarowe, części maszyn i urządzeo w przemyśle chemicznym,
spożywczym, rafineryjnym, petrochemicznym, papierniczym, sprzęt w gospodarstwach domowych.

21. Jak zdefiniowano i sklasyfikowano stale stopowe?
Klasyfikacja stali stopowych
Stale stopowe można klasyfikowad według różnych kryteriów. Najczęściej podstawą klasyfikacji jest
zastosowanie stali, struktura i zawartośd pierwiastków stopowych.
Klasyfikacja według zastosowania:
- stale konstrukcyjne (stosowane do wyrobu części maszyn)
o do nawęglania,
o do azotowania,
o do ulepszania cieplnego,
o łożyskowe,
o sprężynowe,
o stale dla budownictwa.
- stale narzędziowe
o stale do pracy na zimno,
o stale do pracy na gorąco,
o stale szybkotnące,
- stale i stopy o szczególnych właściwościach:
o Nierdzewne,
o żaroodporne i żarowytrzymałe,
o kwasoodporne,
o zaworowe,
o odporne na ścieranie,
o mające określone właściwości elektryczne i magnetyczne,
o inne.
Klasyfikacja według struktury:
W stanie równowagi stale stopowe mogą mied struktury:
- podeutektoidalne (ferrytyczne i ferrytyczno - perlityczne),
- eutektoidalne (perlityczne),
- nadeutektoidalne (struktury złożone z perlitu i węglików),
- ledeburytyczne (struktura złożona z perlitu i ledeburytu - powstaje przy

większych zawartościach pierwiastków węglikotwórczych przesuwających punkt E w lewo).
Po przyspieszonym chłodzeniu stale stopowe mogą mied strukturę:

np. Cr>13%)

się małą trwałością w zakresie perlitycznym),

w zakresie przemiany bainitycznej),

trwałośd austenitu, ale nie obniżających Ms poniżej temperatury pokojowej),

pokojowej).
Klasyfikacja według rodzaju pierwiastków stopowych:
Podstawą podziału jest rodzaj pierwiastka (grup pierwiastków) stopowych. Można tu wyróżnid m.in.
stale chromowe, chromowo - niklowe, chromowo - molibdenowe i wiele innych.
Klasyfikacja według ilości pierwiastków stopowych:
- niskostopowe,
- średniostopowe,
- wysokostopowe.

22. Scharakteryzowad stale konstrukcyjne do ulepszenia cieplnego.
Stal do ulepszania cieplnego – stopowa stal konstrukcyjna do ulepszania cieplnego jest materiałem
stosowanym głównie do wyrobu małej i średniej wielkości części maszyn, pojazdów i konstrukcji,
jeżeli wymagana granica plastyczności, wytrzymałości i ciągliwości są zbyt duże, by stosowad stal o
strukturze perlityczno – ferrytycznej.. Struktura sorbityczna, jaką otrzymujemy w wyniku
ulepszania, zapewnia duży stosunek Re/Rm przy dużej ciągliwości (udarności). Hartownośd tych
stali jest większa niż stali węglowych i rośnie w miarę zwiększania ilości dodatków stopowych

23. Scharakteryzowad stale narzędziowe (na gorąco, na zimno, szybkotnące).
Stale narzędziowe, które powinny cechowad się możliwie dużą twardością, większą od obrabianego
materiału. Zawierają na ogół większe ilości węgla i pierwiastków stopowych. Ostateczne własności
nadaje się im przez hartowanie i odpuszczanie. W grupie tej można wyodrębnid stale narzędziowe
do pracy na zimno i gorąco oraz stale szybkotnące.

24. Co to jest żaroodpornośd i żarowytrzymałośd?

Od stali i stopów, które pracują w temperaturze powyżej 550°C wymaga się by były

żaroodporne i żarowytrzymałe. Właściwości te pozwalają na bezpieczną pracę urządzenia w takich
warunkach.

Żaroodpornośd to odpornośd materiału na działanie czynników chemicznych (powietrza i

spalin ich agresywnych składników) w temperaturze wyższej niż 550°C. By uzyskad taką właściwośd
stali lub stopu tworzy się tzw. zgorzelinę. Jest to ciągła warstwa, która dokładnie przylega do
metalicznego rdzenia. Ta warstwa przeciwdziała dyfuzji utleniacza i jonów metalu dzięki czemu daje
nam żaroodpornośd. Wykorzystuje się do tego stale jednofazowe (ferryt lub austenit), które mają w
sobie duże stężenie chromu i niklu. Dodatkowo dodaje się krzem i aluminium.

Natomiast żarowytrzymałośd jest to odpornośd materiału na działanie czynników fizycznych

(odkształcenia i obciążenia mechaniczne) w temperaturze wyższej niż 550°C. Uzyskanie tej
właściwości stali lub stopu otrzymuję się dzięki odpornośd na pełzanie. Pełzanie to proces

odkształcenia plastycznego, który zachodzi bardzo małą szybkością odkształcenia pod działaniem
stałego naprężenia lub obciążenia (prościej:, które zachodzi przez wolne odkształcenie powstałe
przez naprężenie lub obciążenia). Przyłożone naprężenie nie może przekroczyd 25% wartości granicy
plastyczności w danej temperaturze. Zachowanie tego warunku gwarantuje wolne odkształcenie,
które ma zazwyczaj wartośd od 10

-10

do 10

-3

s

-1

.

25. Co to jest odpornośd na korozję?

Odpornośd na korozję jest to zdolnośd metalu do przeciwstawienia się niszczącemu

działaniu określonego środowiska korozyjnego. Odpornośd metali na korozję zwiększa się w
procesach cieplno-chemicznych (np. poprzez aluminiowanie, chromowanie) i poprzez elektrolityczne
osadzanie (np. kadmowanie, niklowanie).

Przyjmując za kryterium podziału odpornośd na korozję można wyróżnid:



Stale trudno rdzawiące



Stale odporne na korozję

26. Opisad stale w energetyce. [?]

W przemyśle energetycznym stale i stopy stali często są narażone na korozję gazową. Korozja

ta jest korozją chemiczną i zachodzi w środowisku zawierającym powietrze lub tlen, azot siarkę i jej
związki, spaliny i pary w podwyższonej temperaturze. Stale w każdy przemyśle, łącznie z przemysłem
energetycznym muszą byd żaroodporne. Inaczej stale te ulegają zniszczeniu, co powoduje straty.
Stale te powinny wykazywad znaczną odpornośd na procesy utleniania w podwyższonych
temperaturach oraz powinny zachowad wysoką granicę plastyczności i odpornośd na pełzanie.

27. Wymagania stawiane materiałom na reaktory jądrowe.

Wymagana jest wysoko odpornośd na pełzanie. Bardzo ważna jest odpornośd na

temperaturę do 700°C oraz ciśnieniu do 7,25 Mpa.

Ważna jest też odpornośd na pęcznienie radiacyjne. By tego uniknąd dodaje się niklu. Jeśli

niklu jest ponad 40% pęcznienie zanika całkowicie. Przy odporności na pęcznienie ważna jest
żarowytrzymałośd.

28. Jak jest wpływ promieniowania neutronowego na stale i stopy stosowane na reaktorach
jądrowych?

Promieniowanie neutronowe jest jednym z najniebezpieczniejszych zjawisk występujących w

na reaktorze jądrowym. Promieniowanie to może doprowadzid do pęcznienia radiacyjnego, czyli
pęcznienia stali co bardzo zmniejsza jej wytrzymałośd i właściwości. Jest to niedopuszczalne na
reaktorze i może prowadzid do dużego zagrożenia. Dlatego wpływ promieniowania neutronowego
jest bardzo negatywny.

29. Jakie są stosowane materiały na najważniejsze zespoły reaktorów i dlaczego? *?+

Dla prętów sterujących: materiały o dużym przekroju czynnym Cd, B, Hf, Gd, Ag, Al oraz In.

Dla płaszcza paliwa i obudowy aktywnej strefy: Al, stal nierdzewna, Zr, Mg.

Dla zewnętrznych segmentów korpusu: niskowęglowe i niskostopowe stale ferrytyczne A

508-2, A 533 (stopy stali manganu i molibdenu).

30. Jakie są własności fizyczne, mechaniczne i chemiczne miedzi i aluminium?

Aluminium:

-liczba atomowa 13
-masa atomowa 26,9815
-temp. Topnienia 660 C
-w stanie wyżarzonym wytrzymałośd na rozciąganie
-może byd obrabiane plastycznie na zimno i gorąco
-wysoka przewodnośd elektryczna
-duża odpornośd na korozję
Miedź:
-liczba atomowa 29
-masa atomowa 63,5463
-w związkach chemicznych jest dwu i jednowartościowa
-nie wykazuje odmian alotropowych
-temp. Topnienia 1084,88 C
- duża przewodnośd cieplna i elektryczna

20. Jakie pierwiastki wpływają na przewodnośd elektryczną aluminium i miedzi?

Aluminium:
-przewodnośd elektryczna aluminium maleje wraz ze zwiększeniem stężenia zanieczyszczeo i
domieszek głównie Fe-żelazo i Si-krzem a także Cu-miedź , Zn-cynk i Ti-tytan , Mn-mangan, V-wanad

Miedź
-przewodnośd elektryczna miedzi maleje wraz z nawet niewielkim zwiększeniem stężenia domieszek
głównie P-fosfor, Fe-żelazo, Co-kobalt, Si-krzem, As-arsen


21. Jaki z wymienionych wyżej metali stosowany jest na przewody ziemne a jaki na naziemne?
Uzasadnij dlaczego

Miedź stosowana jest do przewodów ziemnych, natomiast aluminium do naziemnych. Dlaczegoż to ?
Hm hm!

Przewody z aluminium :

-Są lżejsze
- stal jako konstrukcja nośna przewodu - ma ogromną wytrzymałośd na rozciąganie,
-aluminium 2-3 razy taosze niż miedź

Gdyby przewody naziemne miały byd z miedzi, słupy podtrzymujące musiałaby byd rozstawione 2
razy gęściej

Wyjątek:
trakcja tramwajowa:
aluminium zbyt szybko ścierałoby się w kontakcie z grafitem *pantografy tramwajów+ - dlatego też
trakcja wykonana jest z miedzi




22. Materiały elektroizolacyjne, budowa, własności i dlaczego??

tworzywa nie przewodzące prądu elektr. w normalnych warunkach, służące do izolowania
przewodów elektr. oraz elementów urządzeo i aparatów elektr; m.e. ogólnie dzielą się na: stałe, w
tym - mineralne (np. azbest, mika, steatyt), ceramiczne (np. szkło, porcelana, kamionka), bitumiczne
(gł. asfalty), tworzywa sztuczne (np. elastomery), materiały włókniste (np. materiały lniane,
bawełniane, papier, drewno itp.) - ciekłe (gł. oleje) oraz gazowe (przede wszystkim powietrze);