1, 3. Rodzaje materiałów i charakterystyka ich właściwości. Rodzaje wiązań międzyatomowych:
Jednym z kryteriów podziału konstrukcyjnych materiałów inżynierskich jest rodzaj wiązania działającego między ich
cząstkami. Wyróżnia się materiały:
•
metaliczne (występuje wiązanie metaliczne) - należą do grupy tworzyw krystalicznych. Charakteryzują się
bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną i
cieplną oraz zróżnicowaną odpornością na korozję. Ponadto wykazują rozszerzalność temperaturową, są
nieprzezroczyste, połyskliwe. Odznaczają się na ogół dobrymi właściwościami technologicznymi oraz
łatwością nadawania im (stopy metali) bardzo różnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych. Wadą
materiałów metalicznych jest na ogół duży ciężar właściwy. Stanowią one podstawowe tworzywo na wyroby
przemysłu maszynowego oraz na konstrukcje metalowe.
•
ceramiczne o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym - należą w zasadzie do tworzyw krystalicznych,
jakkolwiek mogą mieć pewien udział fazy amorficznej. Cechuje je duża twardość i kruchość. Przeważnie są
izolatorami elektrycznymi i cieplnymi, o znacznej odporności na korozję. Wadą ich są złe właściwości
technologiczne, przez co wymagają specjalnych technik przetwarzania. Właściwości predystynują materiały
ceramiczne do specjalnych zastosowań, np. do wyrobu elementów żaroodpornych, elektroizolacyjnych,
termoizolacyjnych oraz jako specjalne materiały narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i
polerskie).
•
polimeryczne, w których działa wiązanie kowalencyjne (w obrębie makrocząsteczek) i siły Van der Waalsa
(między makrocząsteczkami) - tj. tworzywa sztuczne, należą do grupy tworzyw amorficznych. Odznaczają się
stosunkowo dobrymi właściwościami mechanicznymi, są elektroizolatorami oraz są bardzo odporne na
działanie czynników chemicznych. Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a wadą - mała odporność na działanie
temperatur przekraczających 200-300° C (organiczne związki węgla z wodorem i tlenem). Aktualnie
obserwuje się ogromny wzrost zastosowań tworzyw sztucznych, coraz skuteczniej konkurujących z
materiałami metalicznymi w zakresie elementów maszyn i zdecydowanie wypierających metale i szkło w
zakresie opakowań, albo metale i drewno w zakresie elementów wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego.
Jednym z powodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych jest możliwość wydatnego powiększenia ich cech
mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np. włóknami metalicznymi lub ceramicznymi (szkło,
węgiel).
Wiązania:
•
wiązanie jonowe - powstaje, gdy reagują ze sobą pierwiastki znacznie różniące się elektroujemnością. Jest
typowe dla kryształów jonowych, które z reguły są przeźroczyste, a ich przewodnictwo elektryczne jest
bardzo małe. Cechuje je dość duża wytrzymałość mechaniczna i twardość oraz wysoka temperatura
topnienia, a także mają one tendencję do łupliwości wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych, co
świadczy o kierunkowym charakterze wiązania. Wiązanie jonowe jest spowodowane dążeniem różnych
atomów do tworzenia trwałych 8- elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych przez uwspólnienie
elektronów. Tak na przykład w przypadku tworzenia cząsteczki NaCl atom sodu, mający na zewnętrznej
orbicie l elektron, oddaje go atomowi chloru, stając się jonem dodatnim, a atom chloru, mający na ostatniej
orbicie 7 elektronów, po dołączeniu dodatkowego elektronu staje się jonem ujemnym. Możemy to zapisać
symbolicznie Na + Cl
⇒ Na+ + C1- Wiązanie to oparte jest na przyciąganiu kulombowskim, jakie powstaje
między dwoma przeciwnymi ładunkami. Utworzona cząsteczka związku NaCl jest elektrycznie obojętna, ale
ma zaznaczone bieguny elektryczne (czyli jest dipolem), co umożliwia jej łączenie się z innymi cząsteczkami i
tworzenie kryształu.
•
wiązanie atomowe (kowalencyjne, homopolarne) - tworzy się między atomami o średniej różnicy
elektroujemności (niemetalami). Występuje w cząsteczkach gazów dwuatomowych (H2, Cl2, O2, N2),
niektórych pierwiastkach stałych (C - diament, Ge, Si, Sn-α) i związkach (SiC), a także w polimerach. Jest to
wiązanie silne i kierunkowe. Energia wiązania w diamencie wynosi 710 kJ/mol, a w SiC 1,18 MJ/mol.
Wiązanie tworzy się zgodnie z teorią Levisa-Kossela, na skutek dążenia atomów do tworzenia trwałych 2- lub
8-elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych, dzięki powstawaniu par wiążących, których liczba zależy
od grupy układu okresowego N (reguła 8-N). Elektrony przechodzą od jednego do drugiego atomu,
zamieniając je w jony dodatnie, które są przyciągane przez elektrony znajdujące się między nimi. Wiązanie to
można przedstawić schematycznie następująco H. + . H = H : H : Cl . + . C1: = Cl : Cl. W przypadku gdy łączą się
różne atomy za pomocą par elektronowych mamy do czynienia z wiązaniem atomowym spolaryzowanym.
Kowalencyjne niespolaryzowane – występuje między atomami o identycznej elektroujemności
(każdy z nich tak samo oddziałuje na wspólne elektrony) Na skutek różnego oddziaływania elektronów z
rdzeniami atomów powstają dipole i wiązanie ma wtedy charakter pośredni między atomowym i jonowym.
Nie jest to jednak regułą. W niektórych przypadkach (np. w metanie CH4) symetryczny rozkład wiązań
powoduje, że wypadkowy moment dipolowy jest równy zeru. Istnieją związki (np. NH4), w których obydwa
elektrony tworzące parę pochodzą od tego samego atomu. W tym przypadku atom azotu może za pomocą
wolnej pary elektronowej przyłączyć dodatkowy jon H+. Takie wiązanie nazywa się koordynacyjnym.
•
wiązanie metaliczne - powstaje, gdy reagują ze sobą pierwiastki nieznacznie różniące się elektroujemnością i
oba są metalami. występuje między atomami metali w skondensowanych stanach skupienia. Istota tego
wiązania wynika z teorii swobodnego elektronu. Dzięki niskiemu potencjałowi jonizacyjnemu elektronów, po
zbliżeniu się atomów do siebie, następuje oderwanie się elektronów wartościowości od rdzeni atomowych i
utworzenie gazu elektronowego, w którym zachowują się jako cząstki swobodne. Poruszają się one między
jonami i wiążą je na zasadzie elektrostatycznego przyciągania. Wiązanie metaliczne należy do wiązań silnych
(energia wiązania jest pośrednia miedzy jonowym a atomowym) i jest bezkierunkowe. Poza tym typowymi
własnościami metali są: dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne, ciągliwość i metaliczny połysk. Z
własnościami gazu elektronowego jest także związane charakterystyczne dla metali zwiększenie oporności ze
wzrostem temperatury. Dotychczas brak jest uniwersalnej teorii wyjaśniającej związek między budową
elektronową a strukturą oraz własnościami określonych metali. Wielu badaczy przyjmuje, że wiązanie
metaliczne jest podobne do wiązania kowalentnego (Ormont, Pauling). Na przykład w sodzie atomy po
zbliżeniu mogą utworzyć wiązanie za pomocą pary elektronów 3s o różnych spinach. Następne elektrony
mogą przejść na poziom 3p, gdyż na skutek hybrydyzacji ich energie są zbliżone. Muszą one jednak ulegać
ciągłej wymianie z sąsiednimi atomami. Można więc powiedzieć, że istota wiązania jest atomowa, chociaż
jest utrzymana, zakładana w teorii swobodnych elektronów, możliwość ich ruchu od atomu do atomu. Stąd
wiązanie metaliczne bywa traktowane jako nienasycone wiązanie atomowe (z niedoborem elektronów), w
którym duża liczba atomów jest połączona przez uwspólnienie elektronów wartościowości. Są także znane
inne teorie; np. Wignera i Seitza, umożliwiająca wyliczenie wartości energii wiązań w metalach alkalicznych,
nie sprawdza się jednak ona w przypadku innych metali).
•
wiązanie van der Waalsa - jest bardzo słabe (energia wiązań wynosi 100 - 1500 J/mol) i bezkierunkowe. Siły
van der Waalsa działają w skroplonych gazach szlachetnych i między łańcuchami polimerów. Przyczyną
powstawania tych sił jest nierównomierny rozkład ładunków w chmurach elektronowych. Pewna polaryzacja
jest w tym przypadku wynikiem wzajemnego oddziaływania atomów. Chwilowe dipole indukują dipole w
sąsiednich atomach. Wiązania van der Waalsa występują wraz z innymi w kryształach molekularnych, które
składają się z cząsteczek o wiązaniach kowalentnych zespolonych ze sobą siłami van der Waalsa. Przykładem
mogą być zestalone gazy (H, F, Cl, N) oraz kryształy jodu, siarki, selenu i telluru.
2. Technologie stosowane w produkcji materiałów i wyrobów: ???
4. Rodzaje tworzyw sztucznych i ich podstawowe własności:
Tworzywa sztuczne dzieli się ze względu na ich cechy i właściwości:
- ze względu na właściwości sprężystoplastyczne:
elastomery - polimery, które w temperaturze pokojowej wykazują dużą zdolność do odkształceń i wydłużeń
(wydłużenia wynoszą na ogół ponad 100%) przy jednoczesnym zachowaniu właściwości sprężystych (kauczuki,
kopolimery butadienu i izoprenu ze związkami winylowymi).
•
plastomery - tworzywa, których wydłużenie sprężyste w temp. pokojowej nie przekracza 100% ( często
kilkanaście %) (tworzywa termoplastyczne, duroplasty).
- ze względu na zachowanie po ogrzaniu:
•
termoplasty - tworzywa, które ogrzane do wystarczająco wysokiej temperatury miękną aż do plastycznego
płynięcia, a po ochłodzeniu ponownie stają się twardym ciałem stałym, przy czym proces ten może być
wielokrotnie powtarzany (pod warunkiem, że podczas ogrzewania nie zostanie przekroczona temperatura
powodująca rozkład polimeru), bez zmian właściwości podstawowych. Takie zachowanie termoplastów jest
spowodowane tym, że ich makrocząsteczki, mające kształt łańcuchów liniowych lub rozgałęzionych,
związanych wewnątrz mocnymi wiązaniami atomowymi, połączone są między sobą znacznie słabszymi
wiązaniami międzycząsteczkowymi, które ze wzrostem temp. jeszcze się osłabiają, co umożliwia zwiększenie
ruchliwości łańcuchów. Właściwości termoplastów - bardzo dobre właściwości przetwórcze, mała gęstość,
duża odporność na działanie środków silnie korodujących, dobre właściwości trybologiczne, tłumiące i
izolacyjne, mała odporność cieplna. Poliuretan, poliamidy, polistyren, polichlorek winylu.
•
duroplasty - tworzywa polimerowe, które można wprowadzać ze stanu plastycznego w stan stały tylko jeden
raz. Ponowne uplastycznienie nie jest możliwe, co jest związane z tym, że utwardzanie tworzywa wiąże się z
usieciowaniem struktury wyjściowej, co ma charakter reakcji chemicznej, jest zatem nieodwracalne. Procesy
sieciowania mogą zachodzić pod wpływem określonych substancji (chemoutwardzalne), lub pod wpływem
odpowiedniej temperatury (termoutwardzalne). Właściwości duroplastów - po utwardzeniu wykazują dużą
sztywność, trwałość wymiarów, nierozpuszczalność, nietopliwość, doskonałe właściwości elektroizolacyjne,
kruchość (zapobiega się jej poprzez stosowanie napełniaczy), niemożliwość ponownego przetwarzania.
Żywice epoksydowe, fenoplasty, poliestry.
- ze względu na właściwości użytkowe i zastosowanie, określone cechami polimeru stanowiącego główny składnik
tworzywa:
5. Typowe procesy formowania tworzyw sztucznych:
•
wytłaczanie - formowanie półproduktów lub gotowych wyrobów metodą wytłaczania polega na wyciskaniu
uplastycznionego tworzywa przez dyszę wytłaczarki, która nadaje gotowy kształt formowanemu przekrojowi.
Dysza znajduje się w głowicy wytłaczarki, do której ślimak podaje uplastycznione tworzywo.
Metoda ta jest głownie stosowana w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych.
•
wtryskiwanie - proces cykliczny, w którym materiał wyjściowy w postaci granulek lub krajanki jest podawany
z pojemnika do ogrzewanego cylindra, gdzie się uplastycznia, a następnie jest wtryskiwany przez dyszę i
tuleję wlewka do gniazd formujących. Tworzywo zestala się w nich, a następnie jest usuwane z formy w
postaci gotowej wypraski. Stosuje się formy zamknięte chłodzone przy przetwórstwie tworzyw
termoplastycznych, lub podgrzewane w przetwórstwie duroplastów.
•
prasowanie:
- prasowanie tłoczne - kształtowanie przedmiotów w formach, w których matryca i stempel nadają kształt
przedmiotowi. Wykorzystuje się ją przede wszystkim do przetwarzania tworzyw termoutwardzalnych, rzadziej
termoplastycznych.
- prasowanie przetłoczne
- prasowanie płytowe
- prasowanie niskociśnieniowe
•
kalandrowanie - proces ciągłego kształtowania pasma o regularnej grubości. Tworzywo uplastycznione
wstępnie w walcarce przepuszczane jest jednokrotnie przez kilka szczelin międzywalcowych, w wyniku czego
otrzymuje się odpowiednio szeroką wstęgę, która odbiera się na bębny chłodzące i zwija na wala
odbierającym. W wyniku tego procesu, któremu poddaje się tworzywo termoplastyczne, otrzymuje się folię.
•
walcowanie - może być prowadzone w celu ujednorodnienia plastyfikatu - walcowanie wstępne, lub w celu
formowania uplastycznionego wcześniej tworzywa - walcowanie formujące. Tworzywo zasilające walcarkę
formującą pobierane jest z walcarki wstępnej w formie odcinków wstęgi. W przypadku walcowania
formującego uplastycznione tworzywo przechodzi przez szczelinę międzywalcową tylko jeden raz. Tworzy się
ciągła wstęga o stosunkowo dużej grubości. Za pomocą tej metody produkuje się np. wykładziny podłogowe.
•
odlewanie - proces polegający na wypełnieniu odpowiedniej formy odlewniczej ciekłym tworzywem. Formy
odlewnicze mogą być bardzo różne w zależności od rodzaju użytego tworzywa, kształtu i rozmiarów odlewu.
Odlewanie może być realizowane do form zamkniętych lub otwartych. W produkcji masowej zastosowanie
znajdują jej różne metody np. odlewanie rotacyjne. Do odlewania nadają się najlepiej tworzywa utwardzalne.
6. Materiały kompozytowe, charakterystyka, własności, zastosowanie:
o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (
) o różnych właściwościach.
Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z
komponentów stanowi
, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a
drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.
- podział kompozytów ze względu na osnowę:
•
osnowa metaliczna
•
osnowa ceramiczna
•
osnowa polimerowa - najpopularniejszy rodzaj osnowy, wśród polimerowych kompozytów konstrukcyjnych
przeważają materiały o osnowach duroplastycznych. Najczęściej stosuje się żywice poliestrowe nienasycone,
żywice winyloestrowe, żywice epoksydowe.
- podział kompozytów ze względu na wzmocnienie:
•
włókna szklane
•
włókna węglowe i grafitowe
•
włókna aramidowe (kevlar)
•
włókna polietylenowe
•
włókna naturalne
Materiały kompozytowe mogą łączyć najbardziej pożądane cechy innym materiałów inżynierskich. W zależności od
użytych materiałów i technologii wytwarzania mogą one wykazywać:
- wysoką sztywność i wytrzymałość mechaniczną
- wysoką odporność na zmęczenie i korozję
- skutecznie tłumią drgania
Do głównych wad należą m.in. wysoka cena, trudna technologia wytwarzania, trudne przetwórstwo (nie można
spawać, zgrzewać), mała ciągliwość i duża kruchość.
Kompozyty ze względu na swoje właściwości są obecnie szeroko stosowane w przemyśle, którego wyroby muszą
spełniać zwiększone wymagania w zakresie trwałości, niezawodności i bezpieczeństwa (przemysł motoryzacyjny,
produkcja nart, sieci wodociągowe, przemysł lotniczy). Wśród przyczyn przesądzających o stosowaniu kompozytów
najczęściej wymienia się dużą wytrzymałość właściwą, czyli stosunek wytrzymałości na rozciąganie do gęstości, który
jest zazwyczaj kilka razy większy w porównaniu do metali. Są one również odporne na działanie substancji
agresywnych, co umożliwia ich wykorzystywanie m.in. do produkcji różnego rodzaju zbiorników.
7. Materiały ceramiczne, charakterystyka, właściwości, zastosowanie:
Ceramiką nazywa się nieorganiczne materiały niemetaliczne o jonowych i/lub kowalencyjnych wiązaniach
międzyatomowych, zbudowane z faz krystalicznych i szklistych. Do ich produkcji używa się gliny, kwarcu, kaolinitu,
krzemianów, tlenków, azotków oraz borków. Właściwości ceramiki:
- materiały twarde
- bardzo wysoka temp. topnienia
- mała przewodność elektryczna i cieplna
- wysoka odporność korozyjna
- odporność na ścieranie
- wysoka wytrzymałość na ściskanie
- duża odporność na pełzanie
Ceramiki są stosowane m.in. w przemyśle motoryzacyjnym (łopatki turbinowe, gniazda zaworów, tuleje cylindrów),
medycynie (endoprotezy, protezy dentystyczne), elektrotechnika (izolatory wysoko i nisko napięciowe). Do
podstawowych gatunków ceramiki inżynierskiej zalicz się np. ceramika Al2O3 (tlenek aluminium - narzędzia
skrawające, izolatory, elementy silników i turbin itd.), dwutlenek cyrkonu ZrO2 (elementy silników i turbin, technika
medyczna), ceramika węglikowa SiC (energetyka, elementy silników i turbin, elementy pomp) , ceramika azotkowa
Si3N4 (energetyka, elementy silników i turbin).
8. Kryteria doboru materiałów na konstrukcje inżynierskie:
Podstawowym kryterium doboru materiału jest jego przeznaczenie i warunki pracy gotowego wyrobu.
Muszą być przy tym spełnione następujące warunki:
•
materiał musi posiadać wymagane właściwości fizyczne i mechaniczne,
•
materiał można poddać określonemu procesowi technologicznemu, aby nadać mu postać o wymaganym
kształcie,
•
materiał i technologia muszą spełniać kryteria ekonomiczne
Wymagania sztywne to te, które bezwzględnie muszą być brane pod uwagę, np. dostępność danego materiału lub
jego przydatność do określonej technologii wytwarzania czy też minima właściwości. Wymagania podrzędne
obejmują właściwości, które mogą być podmiotem kompromisu lub rozwiązań kompromisowych, czy
alternatywnych. Dotyczy to często właściwości mechanicznych, ciężaru właściwego, kosztu materiału .
Aby wybrać materiał do wykonania konstrukcji potrzebujemy danych o ich właściwościach. W pierwszej fazie
projektowania wykorzystuje się ogólne dane na temat określonych materiałów. Jeśli na ich podstawie zawężamy
możliwy zakres materiałów, wówczas należy skorzystać z bardziej szczegółowych źródeł danych (np. danych
producenta). Jeśli przedmiotem konstrukcji jest element, którego zniszczenie może spowodować katastrofalne
skutki, wówczas samemu należy zbadać właściwości takiego materiału.
9. Budowa krystaliczna metali:
Większość metali krystalizuje w 3 rodzajach sieci przestrzennej:
- sieć A1 - oznaczana również symbolem RCS (FCC) jest najgęściej wypełniona (74,04°/o) o liczbie atomów La. = 8 •
1/8 + 6 • 1/2 = 4 i 1.koordynacji = 12. Dowolny atom " w sieci otoczony jest dwunastoma sąsiadami w najmniejszej,
jednakowej odległości a √2/2 = 0,707a (rys. 2.11b). W strukturze najgęściej wypełnione atomami są cztery
płaszczyzny ośmiościanu {111}, a w każdej z nich trzy kierunki <110>, w których atomy są do siebie styczne (rys.
2.11c). Puste przestrzenie między atomami tworzą tzw. luki. Luki oktaedryczne (większe) zlokalizowane w środku
komórki i na środkach jej krawędzi są otoczone sześcioma atomami, tworzącymi ośmiościan foremny (rys. 2.11d).
Luki tetraedryczne (mniejsze) zlokalizowane na przekątnych komórki w odległościach a √3/4 = 0,433a od naroży,
otoczone są czterema atomami tworzącymi czworościan foremny (rys. 2.11e). W sieci A1 występują np. żelazo
γ
,
aluminium, miedź, nikiel, kobalt
β
.
- sieć A2 - oznaczana również symbolem RPC (BCC) ma mniejsze wypełnienie (68,02°/o) przy liczbie atomów l.a. = 8 •
1/8 +1 = 2 i Lk. = 8. Dowolny atom sieci otoczony jest ośmioma sąsiadami, w najmniejszej, jednakowej odległości a
√3/2 = 0,866a (rys. 2.12b). Najgęściej obsadzonych atomami, ale o odmiennym rozkładzie w porównaniu ze strukturą
Al, jest sześć płaszczyzn przekątnych komórki zasadniczej {ll0}, a w każdej są dwa kierunki <111> gęstego ułożenia
stycznych do siebie atomów (rys. 2.12c). Struktura A2 ma analogiczne jak struktura Al rodzaje luk, lecz mniejszych,
pomimo mniejszego wypełnienia sieci. Z warunku styczności wynika promień atomu R = a √/3/4 = 0,433a. Luki
oktaedryczne zlokalizowane na środkach ścian i na środkach krawędzi komórki zasadniczej (rys. 2.12d) mieszczą
atomy o promieniu zaledwie r = 0,l54R. Luki tetraedryczne zlokalizowane na każdej ścianie komórki w połowie
odległości między środkiem krawędzi i środkiem ściany (rys. 2.12e) mieszczą atomy o promieniu r = 0,291R. (żelazo
α
, tytan
β
).
- sieć A3 - struktura A3 albo HZ o identycznym wypełnieniu jak Al (74,04 °/o) ma l.a. = 12 ..1/6 +2. 1/2 +3 = 6 i l.k. =
12. Dowolny atom sieci otoczony jest dwunastoma sąsiadami w jednakowej, najmniejszej odległości a (rys. 2.13b).
Najgęściej obsadzona atomami jest płaszczyzna podstawy (0001), w której są trzy kierunki gęstego ułożenia
stycznych atomów <1120> (rys. 2.13c). Promień atomowy dla tej struktury wynosi R = 0,5a. Luki oktaedryczne (rys.
2.13d) i tetraedryczne (rys. 2.13e) mieszczą atomy o identycznych średnicach jak w strukturze Al, odpowiednio r =
0,414R i r = 0,225R. Opisana idealna struktura A3, charakteryzująca się stycznością atomów w trzech kolejnych
płaszczyznach (0001) jest możliwa tylko przy stosunku stałych sieciowych c/a = √8/3 = 1,633. Spośród metali o tej
strukturze większość w przybliżeniu spełnia ten warunek (c/a = 1,56 ÷ 1,63). Wyjątki stanowią cynk i kadm o
wartościach stosunku c/a odpowiednio 1,86 i 1,89. (magnez, kobalt
α
, tytan
α
).
Wiele pierwiastków w zależności od temperatury (ciśnienia) może występować w więcej niż jednej strukturze
krystalicznej, które charakteryzują się odmiennymi właściwościami mechanicznymi. Zjawisko to jest zwane
polimorfizmem.
Struktury A l i A3 są do siebie podobne. Mianowicie, w obu występują płaszczyzny (o różnej orientacji
krystalograficznej) z jednakowym gęstym ułożeniem atomów, o heksagonalnej symetrii (rys. 2.14a). Aby warunek
najgęstszego ułożenia atomów był spełniony, druga płaszczyzna heksagonalna musi mieć środki atomów przesunięte
w stosunku do pierwszej, natomiast trzecia może mieć środki atomów pokrywające się z pierwszą (rys. 2.14b) albo
jeszcze bardziej przesunięte (rys. 2.14c).Kolejność płaszczyzn heksagonalnych w strukturze A3 (0001) odpowiada
pierwszemu wariantowi, co można przedstawić symbolicznie zapisem AB AB AB ..., a w strukturze A1 (111) –
drugiemu wariantowi co przedstawia zapis ABC ABC ABC.
Zjawisko zwane anizotropią polega na zmianie właściwości badanego kryształu w zależności od kierunku badania.
Jest to spowodowane faktem, że różne płaszczyzny i kierunki sieci krystalicznej są obsadzone atomami
niejednakowo. Na przykład w elementarnej komórce sieci regularnej przestrzennie centrycznej o parametrze a,
każda ścianka o powierzchni a2 obsadzona jest przez l atom (atomy leżące w wierzchołkach należą jednoczesne do 4
komórek elementarnych, więc (4·1/4 = 1), natomiast w płaszczyźnie przekątnej komórki o powierzchni a2 • √2
znajdują się 2 atomy (4·1/4 + 1 atom środkowy). Mimo różnicy w wielkościach powierzchni, wyraźnie widać, że drugi
płaszczyzna jest gęściej obsadzona atomami. Ilustruje to rys. 2.15.
10. Rodzaje sieci krystalograficznych:
Materiały krystaliczne w pewnych warunkach przyjmują kształt charakterystycznych, regularnych brył
geometrycznych — kryształów. Budową kryształów zajmuje się krystalografia, traktująca materię jako zbiorowisko
atomów o kształcie sztywnych kul, rozmieszczonych statycznie (nieruchomo) w przestrzeni. Odwzorowaniem
przestrzennego rozmieszczenia atomów jest sieć przestrzenna, utworzona przez powtórzenie w trzech kierunkach
podstawowego elementu, zwanego komórką zasadniczą albo sieciową. Jednoznaczne określenie komórki
zasadniczej umożliwia więc odwzorowanie sieci przestrzennej. Przekształcenie geometryczne polegające na
przesunięciu w określonym kierunku dowolnego tworu geometrycznego o stały wektor, nazywa się translacją. Do
jednoznacznego zdefiniowania komórki zasadniczej (sieci przestrzennej) w ogólnym przypadku konieczna jest
znajomość trzech wektorów translacji: a, b, c, zwanych stałymi (parametrami) sieciowymi oraz trzech kątów
sieciowych: α, β ,γ. Na podstawie symetrii punktowej możliwe sieci przestrzenne zalicza się do jednego z siedmiu
układów krystalograficznych, których charakterystykę podano w tabl. 1. W określonym układzie krystalograficznym
komórka zasadnicza może mieć różny kształt (przy stałej objętości). W określonym układzie krystalograficznym,
zależnie od pozycji obsadzonych atomami, wyróżnia się typy komórki zasadniczej, oznaczane symbolami:
• prostą (P) o obsadzonych atomami tylko narożach komórki,
• centrowanej podstawie (C) o dodatkowo obsadzonych atomami środkach podstaw,
• płaskocentryczną (F) o dodatkowo obsadzonych atomami środkach wszystkich ścian,
• przestrzenniecentryczną (B) o dodatkowo obsadzonym atomem środku komórki,
Bravais drogą translacji prostych komórek zasadniczych poszczególnych układów krystalograficznych wyprowadził 14
typów sieci, tzw. translacyjnych. Systematyka Bravais'ego wskazuje, który z wymienionych typów komórek
zasadniczych możliwy jest w określonym układzie krystalograficznym.
Niezależnie od układu krystalograficznego i typu komórki zasadniczej sieć przestrzenną charakteryzują następujące
wielkości:
•
Liczba koordynacyjna ( l.k..). Jest to liczba najbliższych i równoodległych atomów od dowolnego atomu sieci.
Odpowiada ona liczbie wiązań atomu, czyli stanowi energetyczną miarę trwałości struktury krystalicznej.
•
Liczba atomów (l.a.) przypadająca na komórkę zasadniczą. Jest to wielkość charakteryzująca w pewien
sposób wielkość komórki zasadniczej.
•
Wypełnienie komórki zasadniczej (w.). Jest to stosunek objętości atomów (kul) do objętości komórki
zasadniczej (bryły), charakteryzujący gęstość atomową struktury krystalicznej.
11. Oznaczanie sieci krystalograficznych, płaszczyzn i kierunków krystalograficznych, wyznaczanie wektorów
Burgersa:
Opis położenia płaszczyzn i kierunków krystalograficznych umożliwiają wskaźniki Millera. Płaszczyzna sieciowa
odcina na osiach współrzędnych odcinki stanowiące ułamki lub wielokrotności stałych sieciowych. Wskaźniki Millera
płaszczyzny (hkl) są odwrotnościami tych odcinków, z uwzględnieniem znaku odpowiadającego zwrotowi osi,
wyrażonymi w liczbach całkowitych. Jeżeli płaszczyzna jest równoległa do osi, to punkt jej przebicia przez tę oś leży w
nieskończoności, której odwrotność jest zerem. Jeżeli odwrotności odcinków są liczbami ułamkowymi, to sprowadza
się je do liczb całkowitych, mnożąc przez wspólną najmniejszą wielokrotną. Sposób wyznaczania wskaźników Millera
płaszczyzny wyjaśnia przykład.
Płaszczyzna P odcina na osiach współrzędnych x, y, z odcinki odpowiednio 3, - 2, 4. Odwrotności odcinków 1/3, -1/2,
1/4 po pomnożeniu przez wspólną najmniejszą wielokrotną 12 prowadzą do wskaźników Millera płaszczyzny P (4-
63). W szczególnym przypadku układu heksagonalnego często stosuje się układ współrzędnych x1, x2,x3, z.
Wskaźniki Millera-Bravais'ego płaszczyzny (hkil) wyznacza się analogicznie, pamiętając, że w układzie
heksagonalnym równoważne osie x spełniają zależność wektorową x1 + x2 = -x3, z której wynika równoważność
wskaźników h + k = - i. Należy pamiętać, że wskaźniki, np. (111), opisują wszystkie płaszczyzny sieciowe równoległe.
Grupę płaszczyzn równoważnych krystalograficznie, np. płaszczyzny sześcianu w sieci regularnej (100), (010), (001), (-
100), (0-l0), (00-1) opisuje się wskaźnikami jednej z nich w nawiasach klamrowych, np. {100}.
Prosta sieciowa przechodzi przez dwa węzły sieci. Wskaźniki Millera prostej [uvw] są współrzędnymi węzła sieci
położonego najbliżej początku układu współrzędnych, przez który przechodzi prosta po takim przesunięciu
równoległym, że przechodzi również przez początek układu. Współrzędne węzła — wskaźniki Millera prostej —
przedstawia się z uwzględnieniem znaku odpowiadającego zwrotowi osi jako całkowite wielokrotności stałych
sieciowych. Równoważny krystalograficznie zespół prostych sieciowych opisuje się wskaźnikami jednej z nich w
nawiasach ostrych, np. <111>. Na rysunku 2.10 pokazano oznaczenie kilku prostych sieciowych w układach
regularnym i heksagonalnym. W szczególnym przypadku sieci regularnej proste sieciowe prostopadłe do płaszczyzn
sieciowych i odwrotnie mają jednakowe wskaźniki Millera. Tak na przykład kierunek [100] jest prostopadły do
płaszczyzny (100), a np. płaszczyzna (111) jest prostopadła do kierunku [111].
12) Tekstury powstałe w metalach, warunki powstawania, wpływ na własności
Tekstura – kierunkowe ustawienie ziarn w materiale polikrystalicznym z wyróżnieniem określonego
krystalograficznego, w większości ziarn ten sam kierunek krystalograficzny jest wspólny (równoległy)
13) Anizotropia własności mechanicznych monokryształów i polikryształów metali, przyczyny występowania
Zależność właściwości danego kryształu od kierunku badania nazywamy anizotropią.
Anizotropia własności kryształów, czyli zależność ich własności od kierunku krystalograficznego, w którym dana
własność jest badana, jest charakterystyczną cechą kryształów, odróżniającą je od materiałów bezpostaciowych, a
więc niekrystalicznych. Wiąże się to z gęstością ułożenia atomów niejednakową we wszystkich kierunkach. Przykłady
anizotropii kryształów pokazano na (
)5.11, które przedstawiają modele zmiany wydłużenia
miedzi i modułu sprężystości żelaza w różnych kierunkach krystalograficznych. Na modelach tych długość odcinka od
początku układu współrzędnych do powierzchni modelu jest proporcjonalna do danej własności.
Na przykład monokryształ żelaza α o sieci regularnej przestrzennie centrycznej charakteryzuje wartość współczynnika
sprężystości wzdłużnej E = 135 000 ÷ 290 000 MPa, zależnie od kierunku badania. To samo żelazo o budowie
wielokrystalicznej wykazuje wartość E = 214 000 MPa.
Wstęp do 14) i 15)
1. Kryształ idealny nie istnieje - rzeczywista budowa struktur krystalicznych różni się od idealnej.
2. Występują w niej zaburzenia w ułożeniu atomów nazywane defektami
(każde zaburzenie periodycznego uporządkowania atomów)
3. Defekty mają istotny wpływ na własności fizyczne i mechaniczne metali.
Wprowadzane są celowo poprzez tworzenie stopów, obróbkę cieplną, techniki wytwarzania lub
przetwarzania aby otrzymać określone właściwości materiału.
4. W zależności od geometrii zaburzonego obszaru defekty dzieli się na:
punktowe (wakanse, obce atomy),
liniowe (dyslokacje)
powierzchniowe (granice ziaren, granice międzyfazowe, błędy ułożenia)
14) Defekty punktowe w kryształach metali, rodzaje, powstawanie i zanikanie, wpływ na własności.
Rodzaje:
Wakans – brak atomu w węźle sieci krystalicznej
Domieszka – obcy atom w węźle sieci krystalicznej
Atom międzywęzłowy – rodzimy lub obcy atom w położeniu międzywęzłowym
Powstawanie/zanikanie defektów punktowych:
Wakanse powstają przede wszystkim wskutek drgań cieplnych sieci, które są tym większe, im wyższa jest
temperatura. Przy określonej amplitudzie drgań atom może wypaść ze swego średniego położenia w węźle sieci i
zająć pozycję międzywęzłową. Powstaną wówczas jednocześnie dwa defekty punktowe: wakans i atom wtrącony
między węzłowo. Oba wywołują lokalne zakłócenie budowy sieciowej, gdyż obecność wakansu powoduje większe od
normalnego zbliżenie sąsiednich atomów (rys. 2.15b), natomiast atom wtrącony powoduje rozsunięcie sąsiednich
atomów na odległość większą od normalnej. Opisany defekt nosi nazwę defektu Frenkla i może powstawać tylko w
strukturach metali alkalicznych, w których odległości między atomami są wystarczająco duże, by atom mógł zająć
pozycję międzywęzłową (rys. 2.15b). Natomiast w zwarcie wypełnionych sieciach krystalicznych tworzą się, defekty
punktowe, polegające na powstawaniu wakansu i wywędrowaniu atomu, który ten wakans utworzył, na
powierzchnię kryształu. Ten typ defektu nazywa się defektem Schottky'ego i jest powszechny w kryształach metali –
rys. 2.15a. Wakanse powstające w sieci mogą wędrować wewnątrz kryształu przez zamianę miejsc z węzłami
obsadzonymi atomami. Mogą wywędrować na powierzchni kryształu, co prowadzi do zmniejszenia sięogólnej liczby
wakansów. Mogą wreszcie się łączyć, tworząc tzw. zgrupowania wakansów.Liczba wakansów w metalu w stanie
równowagi termodynamicznej, w temperaturze otoczenia jest stosunkowo niewielka, wzrasta jednak bardzo szybko
przy podwyższeniu temperatury. Ponieważ defekty tego typu odgrywają istotną rolę w procesach dyfuzyjnych, w
wielu przypadkach dąży się do uzyskania zwiększone liczby wakansów również w 20 JW temperaturze otoczenia,
poprzez szybkie przechłodzenie metalu z wysokich temperatur, obróbkę plastyczną na zimno (tj. w temperaturach
niższych od temperatury rekrystalizacji danego metalu) lub bombardowaniu ciężkimi cząsteczkami alfa.
Rys.2.15. Punktowe defekty sieci krystalicznej wywołane drganiami cieplnymi:
a) defekt Schottky’ego,
b) defekt Frenkla
Punktowe defekty sieci tworzą również znajdujące się w niej obce atomy. Możliwe są tu następujące
przypadki. Jeśli obcy atom ma średnicę atomową dużo mniejszą od średnicy atomowej atomów metalu, to zajmuje
on położenie między węzłowe, wywołując lokalne rozsunięcie sąsiednich atomów i powiększenie parametrów sieci
(rys.2.16b). W typowych sieciach krystalicznych metali przestrzenie międzywęzłowe są niewielkie, toteż położenie
międzywęzłowe mogą zajmować w nich tylko atomy azotu, wodoru, węgla i boru, mające najmniejsze średnice
atomowe. Wtrącone atomy innych pierwiastków mogą zajmować wyłącznie pozycje węzłowe zastępując atomy
metalu podstawowego. W tym przypadku rodzaj zniekształcenia sieci krystalicznej zależy od tego czy obcy atom ma
mniejszą, czy większą średnicę od atomu metalu podstawowego (rys. 2.16b i c). Jeśli większą — występuje lokalne
rozsunięcie sąsiednich atomów (powiększenie parametrów sieci), jeśli mniejszą — lokalne zbliżenie atomów
(zmniejszenie parametrów sieci)
Rys.2.16. Defekty punktowe: a) wakans, b) atom międzywęzłowy, c) atom obcy
węzłowy, d) atom obcy międzywęzłowy. Odkształcenie sieci wywołane wakansem polega na kontrakcji, a atomem
międzywęzłowym — na ekspansji. Atom obcy węzłowy powoduje kontrakcję, jeżeli jego promień jest mniejszy, albo
ekspansję, jeżeli jego promień jest większy od promienia atomu bazowego, natomiast atom obcy międzywęzłowy
zawsze powoduje ekspansję sieci. Wzajemne oddziaływanie defektów punktowych, przy większym ich stężeniu
15) Dyslokacje, rodzaje, wpływ na własności wytrzymałościowe metali i charakteryzujące je wielkości.
Dyslokacje opisuje się za pomocą:
•
Osi (linii) dyslokacji
(linia wzdłuż której kończy się dodatkowa płaszczyzna)
•
Wektora Burgersa
Oś linii dyslokacji – rodzaje dyslokacji:
Tu jest miejsce na dodatkowy opis linii dyslokacji
Dyslokacja krawędziowa pojawia się gdy płaszczyzna atomowa urywa się (kończy się krawędzią) wewnątrz kryształu.
Linią dyslokacji jest właśnie krawędź urwanej płaszczyzny. Linią dyslokacji śrubowej jest oś śruby.
Wektor Burgersa
Wektor Burgersa wskazuje kierunek i wielkość przesunięcia atomów przy powstawaniu lub ruchu dyslokacji. Wektor
Burgersa jednoznacznie charakteryzuje dyslokację. Dla tej samej dyslokacji, b ma wartość stałą. Kierunek, zwrot i
wielkość wektora Burgersa można wyznaczyć za pomocą tzw. obwodu Burgersa. Sposób wyznaczania wektorów
Burgersa dyslokacji krawędziowej i śrubowej jest pokazany na (
)6.8. Najpierw w pobliżu
dyslokacji wybieramy jeden atom jako punkt początkowy obwodu (np.atom A). Następnie przesuwamy się od tego
atomu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara od atomu do atomu o taką samą liczbę odległości
międzyatomowych, parami we wzajemnie równoległych, ale przeciwnych kierunkach, zakreślając zamknięty obwód.
W przypadku gdy wewnątrz zakreślonego obwodu znajduje się dyslokacja, to obwód nie zamyka się i odcinek
domykający BA stanowi wektor Burgersa tej dyskolacji. Zwrot wektora Burgersa jest przeciwny do zwrotu wektora
BA . Z rysunków wynika wyraźnie, że wektor BA jest prostopadły do dyslokacji na (
)rys.6.8 i równoległy na
)rys.6.9. Wektor Burgersa i linia dyslokacji wyznaczają jej płaszczyznę poślizgu. Dla dyslokacji krawędziowej
jest to jedna płaszczyzna, dla śrubowej wiele płaszczyzn równoległych do linii dyslokacji.
dyslokacja krawędziowa dodatnia (┴ ) i ujemna (┬ )
•
Od możliwości poślizgu dyslokacji zależy plastyczność metali.
•
Mechanizm odkształcenia przez poślizg dyslokacji wyjaśnia różnicę między obliczeniową a rzeczywistą
wytrzymałością metali.
•
Ograniczając ruch dyslokacji można kontrolować własności mechaniczne metali.
•
Dyslokacje powstają podczas krystalizacji metali oraz mnożone są podczas odkształcania plastycznego na
zimno metali.
•
Gęstość dyslokacji mierzy się całkowitą długością linii dyslokacji przypadającą na jednostkę długości.
wpływ dyslokacji na własności wytrzymałościowe metali:
Występowanie dyslokacji w sposób istotny wpływa na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali.
Obliczenia teoretyczne wykazują, że metale o idealnej budowie krystalicznej powinny
posiadać wytrzymałość determinowaną siłą wiązania atomowego, a więc dwa do trzech rzędów wielkości wyższą od
obserwowanej dla metali technicznych. Różnice przypisuje się występowaniu zjawiska plastyczności. O ile
przykładowo w ceramikach siła wywołująca zniszczenie materiału niezbędna jest do zerwania wszystkich wiązań
naraz w pewnej określonej płaszczyźnie, o tyle w przypadku metali przyłożenie znacznie mniejszej siły wystarcza w
zupełności do wywołania poślizgu dyslokacji. Poślizg dyslokacji nie oznacza przy tym ruchu atomów; przeciwnie,
proces ten jest równoznaczny jedynie ze zrywaniem w określonym momencie wiązań tylko szeregu atomów bliskich
osi dyslokacji.
Wytrzymałość pojedynczych kryształów jest mniejsza niż materiałów polikrystalicznych, ponieważ zaburzenia
budowy sieciowej na granicach ziarn umacniają metal. Wiadomo też, że kryształy zawierające dużą liczbę defektów
są bardziej wytrzymałe od kryształów z małą liczbą defektów. Dzieje się tak dlatego, że w przypadku dużej liczby
defektów sieciowych ruch dyslokacji jest hamowany na skutek wzajemnego przecinania się dyslokacji (powstają
dyslokacje nie tylko równolegle do siebie, ale również umiejscowione w różnych płaszczyznach i o różnych
kierunkach), ich grupowania się, a także obecności przeszkód w postaci innych defektów sieciowych, np.
obcych atomów.
16) Przemieszczanie się dyslokacji, naprężenie krytyczne, płaszczyzny poślizgu.
Płaszczyzny poślizgu
17) Granice ziarn, ich podział, energie granic
Granice ziaren są to wewnętrzne powierzchnie graniczne oddzielające dwa kryształy o takim samym składzie
chemicznym, różniące się tylko orientacją krystalograficzną
Podział ziaren: Pod względem stopnia dezorientacji, granice dzielimy na granice szeroko- i wąskokątowe
Granica szerokokątowa - (kąt dezorientacji >15
o
)
Granica wąskokątowa - (kąt dezorientacji <15
o
)
Pod względem budowy granice ziarn można podzielić na granice daszkowe (nachylenia), oddzielające ziarna mające
wspólny kierunek krystalograficzny równoległy do granicy oraz granice skręcenia, oddzielające ziarna o wspólnym
kierunku krystalograficznym prostopadłym do granicy (
)(rys.6.13). Przypadkowe granice mają zwykle
składowe daszkowe i skręcenia. Pod względem stopnia dezorientacji, granice dzielimy na granice małego kąta i
dużego kąta. Szczególnym przypadkiem granic daszkowych dużego kąta są granice bliżniacze. Pod względem stopnia
dopasowania granice dzielimy na przypadkowe i specjalne (koincydentne).
Energie granic ziarn
Orientacja krystalograficzna ziarn jest w zasadzie chaotyczna (rys. 2.20), toteż na granicy ziarn spotykają się różnie
zorientowane sieci przestrzenne, ukierunkowane względem siebie pod dużymi kątami, wynoszącymi najczęściej
kilkanaście do kilkudziesięciu stopni (dlatego granice ziarn nazywa się także granicami dużego kąta). Jest rzeczą
oczywistą, że ułożenie atomów na granicy ziarn jest uzależnione od działania obu stykających się sieci
krystalograficznych, w wyniku czego stanowi pewną mikrostrukturę przejściową, nie odpowiadającą orientacji ani
jednego, ani drugiego ziarna - rys. 2.21. Ta przejściowa struktura o grubości kilku odległości międzyatomowych jest
strukturą zakłóconą, tym bardziej, że na granicach ziarn grupują się również wszelkie zanieczyszczenia, które nawet w
najczystszych metalach występują w pewnych ilościach. W rezultacie granice ziarn mają wyższą wytrzymałość niż
inne ziarna, natomiast niższy potencjał elektrochemiczny, a więc mniejszą odporność chemiczną, objawiająca się
m.in. łatwiejszym trawieniem na zgładach metalograficznych.. Łączna energia granic osiąga minimum w przypadku
ziarn o kształcie (w przekroju) foremnych sześcioboków i prostoliniowych granicach. Ziarna o liczbie boków (w
przekroju) mniejszej od sześciu mają granice wypukłe, a o liczbie boków większej od sześciu — granice wklęsłe (rys.
2.22). Rys. 2.20. Schemat orientacji krystalicznej Rys. 2.21. Schemat zakłócenia budowy poszczególnych ziarnach
metalu krystalicznej na granicy ziarn metalu
Tendencja do uzyskania stanu stabilnego o minimum energii granic objawia się ich
migracją, tzw. rozrostem ziarn. Siły napędowej migracji dostarcza energia cieplna, toteż
rozrost ziarn następuje w podwyższonej temperaturze. Najbardziej ruchliwe są niesprzężone
granice szerokokątowe.
Rys. 2.22. Kształt granic przekroju ziarna: a) równowagowy, b) i c) nierównowagowy,
d) zanik ziarna (przy rozroście): 1 ÷ 4 — kolejne stadia
Ruch granicy odbywa się zawsze w kierunku środka jej krzywizny, jako rezultat
elementarnych przeskoków atomów przez granicę w kierunku przeciwnym, ma więc
charakter dyfuzyjny. Określony kierunek ruchu granicy sprawia, że rozrost ziarn jest
selektywny. Mianowicie, rozrastają się ziarna o liczbie boków większej od sześciu, natomiast
zanikają ziarna o liczbie boków mniejsze) od sześciu, jak to przedstawiono poglądowo na rys.
2.22. Rozrostowi ziarn towarzyszy zmniejszenie ich liczby. Migracja stosunkowo stabilnych
granic wąskokątowych ma charakter ruchu bezdyfuzyjnego, którego siłą napędową jest
obciążenie zewnętrzne.
18). Rozrost ziarn, przebieg, przyczyny, zapobieganie.
Tendencja do uzyskania stanu stabilnego o minimum energii granic objawia się ich migracją, tzw. rozrostem ziarn.
Głównym czynnikiem rządzącym tym procesem jest napięcie powierzchniowe występujące na granicach ziarn,
związane z wyższą energią swobodną atomów znajdujących się na powierzchni ziarn w porównaniu z energią
atomów znajdujących się wewnątrz nich. W konsekwencji w materiale polikrystalicznym będzie występowała
tendencja do zmniejszenia powierzchni ziarn, a więc do ich rozrostu, gdyż związane to jest z obniżeniem energii
swobodnej materiału. Proces rozrostu ziarna odbywa sięprzez pochłanianie małych ziarn przez większe. Siły
napędowej migracji dostarcza energia cieplna, toteż rozrost ziarn następuje w podwyższonej temperaturze.
Najbardziej ruchliwe są niesprzężone granice szerokokątowe. Ruch granicy odbywa się zawsze w kierunku środka jej
krzywizny, jako rezultat elementarnych przeskoków atomów przez granicę w kierunku przeciwnym, ma więc
charakter dyfuzyjny. Określony kierunek ruchu granicy sprawia, że rozrost ziarn jest selektywny. Mianowicie,
rozrastają się ziarna o liczbie boków większej od sześciu, natomiast zanikają ziarna o liczbie boków mniejszej od
sześciu. Rozrostowi ziarn towarzyszy zmniejszenie ich liczby. Migracja stosunkowo stabilnych granic wąskokątowych
ma charakter ruchu bezdyfuzyjnego, którego siłą napędową jest obciążenie zewnętrzne. Czynnikiem hamującym
rozrost ziarna są m.in. zanieczyszczenia metalu, wydzielenia innych faz oraz obecność obcych cząstek o dużej
dyspersji celowo wprowadzonych do metalu w celu umocnienia i nadania mu określonych własności
mechanicznych.Czynnikiem hamującym ruch granic szerokokątowych (rozrost ziarn) są dyspersyjne wydzielenia
obcej fazy, ale ich skuteczność jest ograniczona do temperatury, w której ulegająrozpuszczeniu w osnowie. Tak na
przykład wydzielenia azotka aluminium (AlN) w stali hamują rozrost ziarna do temperatury 950 -1050°C. Granice
wąskokątowe powstają podczas krystalizacji jako rezultat zrastania się gałęzi dendrytów oraz w stanie stałym
podczas wygrzewania metalu uprzednio odkształconego plastycznie. Granice szerokokątowe niesprzężone są
rezultatem dużej liczby zarodków krystalizacji podczas krzepnięcia. Tworzą się również podczas wygrzewania metalu
uprzednio odkształconego plastycznie (zdrowienie). Wreszcie granice szerokokątowe sprzężone powstają głównie
podczas przemian fazowych w stanie stałym (np. wydzielanie z przesyconego roztworu stałego), a granice bliźniacze
— podczas odkształcenia plastycznego.
19). Znaczenie wielkości ziarn w przemianach fazowych, wpływ na własności wytrzymałościowe.
20). Sposoby uzyskiwania drobnoziarnistej budowy metali i stopów.
Najważniejsze metody uzyskiwania materiałów drobnoziarnistych:
działania na etapie procesu metalurgicznego, takie jak zabiegi modyfikacji przez dodanie do ciekłego stopu
substancji tworzących liczne zarodki krystalizacji lub przez wprowadzenie pierwiastków tworzących
wysokodyspersyjne cząstki (np. AlN) zapobiegające rozrostowi ziarna w trakcie obróbki cieplnej,
bardzo szybkie chłodzenie ciekłego metalu,
metody metalurgii proszków, w tym uzyskiwanie nanometrowej wielkości cząstek poddawanych następnie
procesowi scalania metodą mechanicznego stapiania (mechanicznej syntezy),
odpowiednia przeróbka plastyczna, w szczególności kontrolowane (regulowane) walcowanie,
, w której wykorzystuje się przemiany fazowe (np. podczas wyżarzania normalizującego) lub
proces tworzenia nowych ziaren (rekrystalizację).
W celu uzyskania stopów o drobnoziarnistej budowie dodaje się do nich pierwiastki będące dodatkami
stopowymi(np. chrom w stalach) które na ogół obniżają skłonność do rozrostu ziarna. Zmniejszają szybkość dyfuzji i
segregują na granicach ziaren, hamując migrację ziaren. W stalach drobnoziarnistych szybki rozrost ziarna zachodzi
w temperaturze przekraczającej na ogół 950 st.C (1223 K). Stosuje się wyżarzanie, które ma na celu całkowite
przekrystalizowanie i uzyskanie jednorodnej, drobnoziarnistej struktury stali. Zabieg zapewnia usunięcie naprężeń
własnych, nadaje stali dobrą ciągliwość i dobrą obrabialność. Polega on na wygrzewaniu w temperaturze 3-50 st.C i
trwa około dwóch godzin i po nim stosuje się bardzo powolne studzenie.
Odkształcenie plastyczne podczas wzdłużnego walcowania odbywa się w wyniku przechodzenia metalu przez
szczelinę między walcami obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Wskutek walcowania następuje zmiana
wymiarów oraz postaci walcowanego przedmiotu.
W wyniku walcowania następuje:
- zmniejszenie wysokości pasma z początkowej h0 do końcowej h1,
- zwiększenie długości pasma z początkowej l0 do końcowej l1,
- zwiększenie szerokości pasma z początkowej b0 do końcowej b1.
Ponieważ w większości przypadków wysokość pasma jest znacznie mniejsza od jego szerokości, zatem przy
walcowaniu metal przemieszcza się głównie w kierunku długości (w kierunku walcowania) i niewiele w kierunku
szerokości.
Rekrystalizacja
Jeśli odkształcony na zimno metal będzie poddawany dalszemu wygrzewaniu, to w pewnej określonej temperaturze,
wyższej od temperatury zdrowienia, zaczną powstawać zarodki nowych nieodkształconych ziarn metalu. Nowe ziarna
rozrastają się kosztem ziarn odkształconych i po pewnym czasie wszystkie stare ziarna zostają zastąpione przez
nowe. Zjawisko to nosi nazwę rekrystalizacji, zwane jest również rekrystalizacją pierwotną. Orientacja
krystalograficzna nowych ziarn różni się znacznie od orientacji ziarn starych, kosztem których powstają ziarna
nieodkształcone. Wynika stąd, że sieć krystaliczna nowych ziarn nie jest koherentna z siecią ziarn odkształconych
(tzn. nie jest z nią związana i nie jest do niej dopasowana), a proces rekrystalizacji polega na przemieszczaniu się
(migracji) wysokokątowych granic ziarn oddzielających nowe kryształy od odkształconych ziarn osnowy. Temperatura
rekrystalizacji. Najniższa temperatura, w jakiej zachodzi proces rekrystalizacji, nazywana jest temperaturą
rekrystalizacji. Temperatura ta jest charakterystyczna dla danego metalu lub stopu i zależy głównie od dwóch
czynników: a) od uprzedniego stopnia odkształcenia plastycznego, tj. im wyższy był jego stopień, tym niższa będzie
temperatura rekrystalizacji; b) od czystości metalu.
21). Granice miedzyfazowe, ich podział, czynniki decydujące o ich energii, wpływ na budowę stopów
dwufazowych.
Granice międzyfazowe są to powierzchnie graniczne oddzielające kryształy różniące się nie tylko orientacją
krystalograficzną i typem sieci krystalicznej ale również składem chemicznym.
Granice takie występują w materiałach wielofazowych.
Podział:
•
Niesprzężone (niekoherentne)- całkowity brak niedopasowania, liczne zaburzenia w prawidłowym
rozmieszczeniu atomów,( budowa podobna do szerokokątowych granic ziaren -duży kąt dezorientacji),
wysoka energia granicy≈1000mJ/m2, kształt wydzieleń zaokrąglony (minimalizowanie energii), w środku
ziarna często kulisty, na granicy soczewkowy;
•
Półsprzężone (półkoherentne)- dopasowanie częściowe, dzielą się na:
Z odkształceniami sprężystymi- niezgodność stałych sieciowych mniejsza niż ≈10%, różnice w
odstępach między atomami jest mała, energia≈100mJ/m2. Energia takich granic zależy od wielkości
różnicy odległości między atomami i stałych sprężystości obu faz, czyli od energii sprężystej
(strukturalnej) oraz energii chemicznej;
Z dyslokacjami doapsowującymi- niezgodność stałych sieciowych większa niż ≈10%, rozmiary cząstek
drugiej fazy są znaczne, energia≈200-500 mJ/m2. Energia składa się z energii odkształceń sprężystych
(w przedziałach pomiędzy dyslokacjami), energii dyslokacji, energii chemicznej.
•
Sprzężone (koherentne)- doapsowanie jest całkowite, na granicy nie ma nieprawidłowości w rozmieszczeniu
atomów (bardzo mała energia pracy), warunki pełnego sprzężenia: równoległość płaszczyzn z identycznie
rozmieszczonymi atomami i takie ich wzajemne zorientowanie by rzędy atomów pokrywały się ze sobą, a
odległości atomów w tych kierunkach były takie same. Energia takich granic wynika jedynie z różnicy w
energii wiązania między niejednakowymi atomami (energia chemiczna).
Dążenie do zmniejszenia energii całkowitej układu przejawia się w dążeniu do zmniejszania pola powierzchni
granic międzyfazowych. Gdy obie fazy mogą utworzyć koherentną granicę międzyfazową, wówczas przyjmują
one kształt płytek, gdyż warunkiem koherentności jest płaskość powierzchni. Wprawdzie pole powierzchni jest
wtedy duże ale energia jednostki powierzchni granicznej jest mała. W wypadku niekoherentnej granicy dążenie
do zmniejszenia energii układu przejawia się w występowaniu ziarn drugiej fazy w postaci kulistej. W stopach
dwufazowych ziarna drugiej fazy przyjmują kształt zapewniający najmniejszą energie układu i równoważenie się
napięć powierchniowych. Wynika z tego że kształt ziarn drugiej fazy zależy od wartości kąta styku. Jeżeli granica
międzyfazowa jest niekoherentna to przy małej wartości napięcia powierzchniowego na granicy między ziarnami
tej samej fazy kąt dwuścienny wyniesie ≈180 st.C i wydzielenia przyjmą kształt kulisty. W miarę tego jak będzie
malało napięcie granicy międzyfazowej lub wzrastało napięcie na granicy ziarn, kąt dwuścienny będzie maleć i
kształt wydzieleń będzie ulegał zmianie. W granicznym przypadku kąt będzie wynosił 0 a druga faza utworzy
wokół ziarn fazy pierwszej cienką błonkę.
22). Błędy ułożenia, powstawanie, wpływ na własności metali.
Błędami ułożenia nazywamy zaburzenia w sekwencji ułożenia płaszczyzn najgęstszego wypełnienia, występujące
najczęściej w metalach o sieci A1 i A3. Tak np. w sieci A1, dla której normalna sekwencja jest ABCABC, mogą
występować warstwy o sekwencji ABABA, typowe dla sieci A3 lub na odwrót. Na granicy błędu ułożenia nie jest
zaburzona tzw.koordynacja I rzędu, tzn.że nadal każdy atom jest otoczony 12 najbliższymi atomami, ale liczba
dalszych sąsiadów ulega zmianie. To daje wkład do podwyższenia energii takiej granicy. Energia granicy BU jest
jednak bardzo mała (zbliżona do energii koherentnej granicy bliźniaczej) w porównaniu z energią zwykłej granicy
ziarn. BU mogą powstawać albo podczas krzepnięcia albo w nastepstwie grupowania się defektów punktowych
na płaszczyźnie atomowej w postaci dysków albo wskutek rozszczepienia się dyslokacji jednostkowych na
częściowe.
Każdy metal cechuje się typową dla niego energią błędu ułożenia (EBU). Im większa jest ta energia, tym mniejsza
jest częstotliwość występowania BU w sieci. Energia BU ma duży wpływ na zachowanie się metalu popdczas
odkształcenia plastycznego, na wielkość zmagazynowanej energii odkształcenia, poligonizację i rekrystalizację.
Wpływ ten wiąże się głównie z zależnością między EBU, a zdolnością dyslokacji do wspinania i poślizgu
poprzecznego. Gdy EBU jest duża (np.w Al), to odkształcenie jest łatwiejsze i mniejsza jest zmagazynowana
energia odkształcenia. W metalach tych łatwiej zachodzi wspinanie dyslokacji krawędziowych oraz poślizg
poprzeczny, a więc i poligonizacja, ale trudniej rekrystalizacja. Niższą EBU mają miedź i jej stopy, a najniższą stale
austenityczne. Dlatego w stopach o małej energii BU częstotliwość ich występowania jest duża.
23).Energia swobodna, zależność od ciśnienia i temp. Znaczenie w przemianach fazowych.
Energia swobodna jest tym mniejsza im mniejsza jest energia wewnętrzna E i im większa jest entropia S. temperatura
to czynnik kontrolujący, w niskich temp trwałe będą stany o malej energii wewnętrznej, a w wysokich czynnik
entropowy będzie duży- prawdopodobne stany o nie najmniejszej energii wewnętrznej. Energia wewnętrzna składa się
z 2 części :
- jednej, która może być zamieniona na pracę i jest miarą siły pędnej wszelkich przemian oraz reakcji chemicznych-
jest to en. Swobodna F
- drugiej, która objawia się tylko w postaci ciepła i dlatego jako przeciwieństwo jest nazywana energią związaną TS
Energia swobodna jest więc różnicą między energią wewnętrzną a en. Związaną. Energia swobodna maleje ze
wzrostem temp. Tym szybciej im większą wartość ma ciepło właściwe układu. Zmniejszanie się energii swobodnej
rozpoczyna się od punktu określającego en. Wewnętrzną układu w temp zera bezwzględnego. W tej temp. Energia
wewnętrzna jest równa energii potencjalnej i zalezy od sposobu rozmieszczenia atomów. Ma ona inną wartość dla
stanu krystalicznego, a inna dla rozmieszczenia bezładnego. Krzywe energii swobodnych opadają niejednakowo i
przetną się w jakimś punkcie To, w którym energie swobodne obu faz są jednakowe. W zakresie od O K do To
mniejszą energię swobodną ma faza krystaliczna- trwały stan stały. A od To trwały stan ciekły, gdyż ciecz ma
mniejszą energię swobodną.
24. Zarodkowanie jednorodne i niejednorodne w przemianach fazowych.
Zarodkowanie. W procesie krystalizacji wyodrębnia się dwa elementarne procesy: tworzenie się zarodków
krystalizacji oraz wzrost tych zarodków. Obydwa te procesy przebiegają jednocześnie, a ich wynikiem jest utworzenie
się kryształów. Ze względu na warunki pojawiania się zarodków krystalizacji rozróżnia się zarodkowanie
homogeniczne i heterogeniczne.
W przypadku zarodkowania homogenicznego, zarodkami krystalizacji są grupy atomów fazy ciekłej, stanowiące
zespoły bliskiego uporządkowania. Muszą one osiągnąć wielkość krytyczną, co na ogół wymaga dużych
przechłodzeń. W ciekłych metalach na ogół występują zbyt małe przechłodzenia (ok. 1°C), aby możliwe było
zarodkowanie homogeniczne. Jedynie metal rozdrobniony na bardzo małe krople można silnie przechłodzić nawet o
300°C, dzięki czemu w pojedynczych kroplach występują warunki umożliwiające zarodkowanie homogeniczne. W
czystych metalach zarodki i ciecz mają jednakowy skład chemiczny, natomiast w stopach zagadnienie staje się
bardziej złożone, ponieważ z warunków równowagi w danej temperaturze wynika, że zarodki i roztwór ciekły różnią
się znacznie składem.
W przypadku zarodkowania heterogenicznego, powstawanie zarodków następuje na powierzchniach fazy stałej
stykającej się z cieczą. Zarodkowanie następuje na powierzchniach ścian naczynia, na drobnych cząstkach stałych
zawieszonych w cieczy, jak wtrącenia niemetaliczne, nierozpuszczone zanieczyszczenia itp. Zarodkowanie może
następować również na warstewce stałych tlenków znajdującej się na powierzchni ciekłego metalu. W takich
warunkach krystalizacja przebiega przy znacznie mniejszym przechłodzeniu niż w przypadku zarodkowania
homogenicznego.
25. Wzrost kryształów podczas krzepnięcia metalu, czynniki decydujące o szybkości krystalizacji.
Wzrost fazy stałej. Podczas wzrostu zarodka krystalicznego szybkość nawarstwiania się atomów na poszczególnych
ściankach kryształu jest różna i zależy od jego struktury krystalicznej. Badania w tym zakresie prowadził Bravais,
który sformułował następującą regułę: szybkość wzrostu ściany kryształu jest odwrotnie proporcjonalna do jej
gęstości atomowej. Z reguły tej wynika, że szybko rosnące ściany będą wykazywały tendencję do zaniku, natomiast
wolno rosnące (najgęściej upakowane) - tendencję do wzrostu. Reguła Bravais'go jest zgodna z doświadczeniem dla
olbrzymiej większości kryształów. Powierzchnia międzyfazowa między cieczą a już utworzoną fazą stałą może się
nieco inaczej kształtować, jeśli np. występuje spadek temperatury równocześnie w kierunku cieczy i fazy stałej. Może
to zaistnieć, jeśli ciecz zostanie znacznie przechłodzona, a na granicy międzyfazowej wydziela się ciepło krystalizacji
podwyższające temperaturę w tym obszarze. Przykładowo szybki wzrost kryształu np. od punktu A do B (rys. 2.27)
zostaje w pewnym momencie zahamowany wydzielającym się ciepłem krzepnięcia i zanikiem przechłodzenia.
Kryształ wzrasta w innym miejscu dostatecznego przechłodzenia, np. od punktu C do D, aż do zaniku przechłodzenia
wydzielającym się ciepłem krzepnięcia. Warunki takie sprzyjają tzw. wzrostowi dendrytycznemu, czyli tworzeniu się
rozgałęzionych kryształów .
26. Modyfikowanie i modyfikatory, rodzaje, przykłady, zastosowania.
Modyfikacja polega na zmianie struktury metalu lub stopu lanego,
w wyniku działania modyfikatorów.
W siluminach w wyniku modyfikowania następuje zmiana budowy eutektyki
gruboziarnistej w drobnoziarnistą , przesunięcie punktu eutektycznego a także wzrost wytrzymałości na rozciąganie
odlewów, ich wydłużenia i udarności. Ten fakt świadczy o znaczeniu, jakie w odlewnictwie siluminów ma
prawidłowy proces modyfikacji stopów.
Tradycyjnie proces modyfikacji przeprowadza się przez dodatek metalicznego
sodu w ilości 0,1 - 0,2% masy stopu lub fluorku sodu w stosunku
0,6 - 2,0%. Modyfikacja sodem charakteryzuje się jednak krótkim okresem
(20-40 min) oddziaływania modyfikatora podczas przetrzymywania stopu
w stanie ciekłym, co w konsekwencji rzutuje na dużą rozbieżność we
własnościach mechanicznych odlewów. Poszukiwania modyfikatorów o trwałym
działaniu doprowadziły ostatnio do zastosowania w praktyce przemysłowej
strontu. W przypadku modyfikacji strontem uzyskanie optymalnych
efektów jest uzależnione nie tylko od właściwej zawartości modyfikatora
(0,03 - 0,01%), ale także od ochrony stopu przed zanieczyszczeniem fosforem
i kontaktem z chlorem, powodującymi tworzenie się trwałych związków
strontu z tymi pierwiastkami. Siluminy eutektyczne i podeutektyczne modyfikowane strontem nie zmieniają swej
struktury i nie tracą własności zarówno podczas przedłużającego się procesu odlewania stopu, jak i po wielokrotnych
przetopach.
27. Krzepnięcie odlewów czynniki wpływające na ich budowę.
Krystalizacja wlewka. Proces krystalizacji przebiegający w warunkach rzeczywistych staje się bardziej złożony
wskutek wpływu różnych czynników ubocznych. Na przykład przy odlewaniu dużych wlewków stalowych do
wlewnicy kryształy rosną najszybciej w kierunku prostopadłym do jej ścianek, tj. w kierunku najintensywniejszego
doprowadzenia ciepła.
Trzy główne strefy:
strefę kryształów zamrożonych, - Kryształy zamrożone powstają na skutek nagłego zetknięcia się ciekłego metalu ze
ściankami wlewnicy, co powoduje raptowny spadek temperatury, znaczne przechłodzenie i powstanie dużej liczby
zarodków. W rezultacie strefa ta ma strukturę drobnoziarnistą
strefę kryształów słupkowych - Kryształy SA do siebie równolegle, podobne do maczug, tekstura odlewnicza.
Kierunek ich wzrostu pokrywa się z kierunkiem odpływu ciepła, prostopadłe do powierzchni ścianki formy.
strefę kryształów równoosiowych W trzeciej strefie tworzą się kryształy równoosiowe, gdyż w środkowej części
wlewka nie zaznacza się już określony kierunek odpływu ciepła, a temperatura krzepnącego metalu niemal
całkowicie się wyrównuje. Ziarna mają dość regularny kształt.
Wzajemne rozmieszczenie wymienionych trzech stref w objętości wlewka ma duże znaczenie praktyczne, gdyż
wzdłuż miejsc styku np. stref kryształów słupkowych (transkrystalizacja) mogą często powstawać pęknięcia podczas
walcowania wlewka. Nie w każdym odlewie występują wszystkie strefy.
28. Przemiany alotropowe w metalach, mechanizmy tych przemian, różnice w porównaniu z krzepnięciem.
Niektóre substancje, zależnie od temperatury i ciśnienia, występują w odmianach
różniących się budową krystaliczną. Zjawisko to nazywa się polimorfizmem
(wielopostaciowością), a w odniesieniu do pierwiastków chemicznych
alotropią. Odmiany alotropowe oznaczone są greckimi literami α, β,
γ itp., umieszczonymi przy symbolu chemicznym pierwiastka.
Przemiany alotropowe zachodzą z łatwością podczas nagrzewania lub
chłodzenia. W temperaturze przemiany następuje szybka przebudowa struktury,
polegająca najczęściej na przemieszczeniu się atomów wzdłuż określonych
płaszczyzn i kierunków. Przebudowie towarzyszą zmiany energii wewnętrzne,
przejawiające się przy nagrzewaniu pochłanianiem ciepła z otoczenia, zaś przy chłodzeniu
— wydalaniem.
Zasadniczym czynnikiem wywołującym przemiany alotropowe jest
zmiana temperatury. Mogą też one wystąpić przy bardzo wysokich ciśnieniach.
Przykładowo, przy ciśnieniach przekraczających 1,08·104 MPa występuje
„wysokociśnieniowa" odmiana żelaza — Feε o strukturze A3.
Przemianom alotropowym podlegają m.in. żelazo, kobalt, mangan, tytan, cyrkon, cyna .
Podobnie jak krzepniecie przemiana alotropowa zaczyna się przy pewnym przechłodzeniu, jednak do powstania
zarodka potrzebne jest większe przechłodzenie i energia. Znaczna skłonność do przegrzewania i przechadzania fazy
metastabilnej
29. Ferromagnetyzm, przemiany magnetyczne i ich cechy charakterystyczne.
Ferromagnetyki charakteryzuje duża przenikalność magnetyczna i zdolność do wytwarzania silnego dodatkowego
pola magnetycznego. Np. żelazo, kobalt, nikiel, a także niektóre metale ziem rzadkich, stopy i zw. Chemiczne.
Ferromagnetyk traci właściwości magnetyczne w temp. Nazwanej punktem Curie. W wyższej zachowuje się jak
paramagnetyk. Właściwości magnetyczne ciał są następstwem budowy elektronowej. Elektrony krążące wokół jądra
mają własne momenty pędu(spiny) i momenty magnetyczne. Elektrony znajdujące się w polu magnetycznym
zachowują się podobnie jak igiełki magnetyczne, tyle, że osie ich obrotu mogą ustawiać względem linii sił pola
magnetycznego tylko równolegle lub przeciw równolegle. Wielkość charakteryzująca wł magnetyczne elektronu –
magneton Bohra.
Atom o parzystej liczbie elektr. nie wykazuje wł. Magnetycznych. Właściwości te przejawiają się, gdy magnetyzmy
spinowe nie znoszą się – kilka elektronów wiruje w tym samym kierunku.
Przemiana magnetyczna: - nie wywołuje zmiany innych właściwości fizycznych poza właściwościami elektrycznymi,
magnetycznymi, cieplnymi
- nie pociąga za sobą przekrystalizowania(powstania nowych ziarn wskutek zmiany sieci kryst.)
- przebiega bez histerezy, zawsze w tej samej temp, niezależnie od szybkości chłodzenia lub grzania.
30. Przebieg odkształceń plastycznych w monokryształach o różnych typach sieci krystalicznej, krzywe
umocnienia.
Odkształcenie plastyczne metali następuje przez poślizg i bliźniakowanie.
Odkształcenie przez poślizg - pod wpływem sił zewnętrznych,
Za pośrednictwem ruchu dyslokacji, części kryształu przesuwają się
względem siebie wzdłuż płaszczyzn i kierunków krystalograficznych najgęściej
obsadzonych atomami, zwanych płaszczyznami i kierunkami łatwego poślizgu.
Wzajemne przesuwanie się części kryształu powoduje zniekształcenie sieci
krystalicznej, co hamuje ruch poślizgowy tak, że przerzuca się on na drugą
płaszczyznę o tej samej orientacji krystalograficznej. Tworzące się stopniowo
nowe płaszczyzny poślizgu są oddzielone nieodkształconymi warstwami
kryształu o grubości 20—500 średnic atomowych. Wyjście płaszczyzny poślizgu
na powierzchnię kryształu tworzy na mej uskok zwany linią poślizgu.
Sąsiadujące linie poślizgu tworzą pasmo poślizgu
Dyslokacje przemieszczają się w systemach łatwego poślizgu, tj. w płaszczyznach
i kierunkach najgęściej obsadzonych atomami .
W monokrysztale ruch dyslokacji
w określonej płaszczyźnie zostaje zahamowany przez defekty sieci, co wyjaśnia
ograniczoną długość poślizgu. Zahamowanie ruchu dyslokacji powiększa
odporność materiału na ścinanie w płaszczyźnie poślizgu — kryształ umacnia
się. Wartość i prędkość umocnienia zależy od struktury metalu. Metale
o strukturze A3 umacniają się nieznacznie, niezależnie od temperatury. Silniej
umacniają się metale o strukturze Al, a najsilniej metale o strukturze A2.
Bliźniakowanie polega na skręcaniu (obrocie) jednej części kryształu
względem drugiej o kąt a w określonej płaszczyźnie i kierunku, na ogół gęsto
wypełnionych atomami, charakterystycznych dla danej struktury krystalicznej,
Kąt obrotu jednej części kryształu względem drugiej jest stały dla
danej struktury. W przemieszczonej części kryształu przesunięcia atomów
położonych w tej samej płaszczyźnie są proporcjonalne do ich odległości od
płaszczyzny bliźniakowania. Stąd obie części kryształu stanowią lustrzane
odbicie, symetryczne względem płaszczyzny bliźniakowania.
Naprężenie potrzebne do bliźniakowania jest znacznie większe niżnaprężenie niezbędne dla poślizgu.Wpływ
temperatury na bliźniakowaniejest natomiast słaby. Bliźniaki uwidaczniają się podczas badań mikroskopowych
postaci równoległych pasm przecinających kryształ, o odmiennym od pozostałej jego części zabarwieniu.Udział
bliźniakowania w odkształceniu plastycznym jest na ogół mały, lecz ma duży wpływ na całkowitą wartość
odkształcenia, ponieważ stwarza warunki umożliwiające powstawanie nowych płaszczyzn poślizgów. Udział
bliźniakowania w całkowitym odkształceniu jest nieznaczny w przypadku bardzo plastycznych metali o strukturze Al,
jak Au,Ag, Cu, gdzie dominuje poślizg. Większy jest udział bliźniakowania w odkształceniu metali mniej
plastycznych o strukturze A3.
31. Przebieg odkształceń plastycznych w polikryształach, krzywe umocnienia.
Odkształcenie plastyczne ciała polikrystalicznego przebiega nierównomiernie
w masie metalu. Sąsiedztwo ziarn różnie zorientowanych, jak również
zanieczyszczenia na granicach ziarn hamują przebieg poślizgów (ruch dyslokacji)
w poszczególnych ziarnach. Na granicach ziarn powstają koncentracje
jednoimiennych dyslokacji. Mogą one zostać przeniesione przez granice do
sąsiednich ziarn dopiero w przypadku znacznego wzrostu naprężenia.
Odkształcenie plastyczne rozpoczyna się w ziarnach, w których płaszczyzny
łatwego poślizgu nachylone są pod kątem 45° do kierunku działania siły.
W innych, mniej korzystnie usytuowanych ziarnach poślizgi pojawiają się
stopniowo ze wzrostem naprężenia. Przy odkształceniu ziarna wydłużają się
w kierunku działających sił i przybierają postać płatków . Duże stopnie zgniotu oprócz wydłużenia ziarn powodują ich
rozdrobnienie i obroty płaszczyzn poślizgów, co tworzy strukturę włóknistą charakterystyczną dla drutów. W wyniku
dostatecznie dużych stopni zgniotu następuje zgodność określonego kierunku krystalograficznego z kierunkiem
największego odkształcenia, co nazywa się teksturą zgniotu. Zależy ona od
struktury krystalicznej metalu oraz od sposobu odkształcenia i wywołuje
anizotropię własności mechanicznych metalu, głównie jego własności plastycznych.
Podobnie jak w monokrysztale, tak i w ciele polikrystalicznym ruch
dyslokacji zostaje zahamowany na defektach sieci. Dodatkowo hamują ruch
dyslokacji granice ziarn oraz rozmnażanie są dyslokacji w czasie odkształcenia
plastycznego wg mechanizmu Franka-Reada.
Tak więc obecność dyslokacji w metalach zwiększa ich zdolność do
odkształceń plastycznych, jednak tylko do pewnej granicy, powyżej której już
dyslokacje wzajemnie blokują swój ruch, co łączy się ze zwiększonym oporem
przeciw odkształceniu.
32. PRZEMIANY ZACHODZĄCE PODCZAS GRZANIA METALI ZGNIECIONYCH, ZMIANY WŁASNOŚCI.
W czasie usuwania skutków odkształcenia plastycznego przez wyżarzanie można wyróżnić trzy procesy, które
kolejno zachodzą w odkształconym plastycznie metalu:
• zdrowienie, [1]
• rekrystalizacja, [2]
• rozrost ziarna. [3]
[1] Zdrowienie
Jest to usunięcie zniekształceń sieci krystalicznej, które możemy zaobserwować w czasie wygrzewania
odkształconego plastycznie materiału. Objawia się to tym, że linie dyfrakcyjne na rentgenogramach (otrzymanych
metodą proszkową) rozmyte wskutek deformacji sieci, stają się znowu wyraźne i ostre.
Zanikowi zniekształceń sieci krystalicznej towarzyszy częściowe usunięcie skutków odkształcenia
plastycznego. Następuje pewne podwyższenie przewodności elektrycznej oraz częściowy spadek umocnienia.
Minimalna temperatura, w której można stwierdzić te zjawiska, określana jest jako temperatura zdrowienia.
Proces zdrowienia związany jest ze zmianą rozmieszczenia i gęstości defektów sieci krystalicznej, głównie
wakansów i dyslokacji. W odkształconym na zimno metalu istnieje gęsta sieć dyslokacji, która powstała w
wyniku poślizgów i wzajemnego oddziaływania dyslokacji. W czasie zdrowienia następuje przemieszczanie i
zmiana uporządkowania dyslokacji, co powoduje zmniejszenie energii zmagazynowanej w odkształcanej sieci.
Proces ten jest aktywowany cieplnie.
[2] Rekrystalizacja (pierwotna)
Jeśli odkształcony na zimno metal będzie poddawany dalszemu wygrzewaniu, to w pewnej określonej
temperaturze, wyższej od temperatury zdrowienia, zaczną powstawać zarodki nowych nieodkształconych ziarn
metalu. Nowe ziarna rozrastają się kosztem ziarn odkształconych i po pewnym czasie wszystkie stare ziarna
zostają zastąpione przez nowe.
Orientacja krystalograficzna nowych ziarn różni się znacznie od orientacji ziarn starych, kosztem których
powstają ziarna nieodkształcone. Wynika stąd, że sieć krystaliczna nowych ziarn nie jest koherentna z siecią
ziarn odkształconych (tzn. nie jest z nią związana i nie jest do niej dopasowana), a proces rekrystalizacji polega
na przemieszczaniu się (migracji) wysoko-kątowych granic ziarn oddzielających nowe kryształy od
odkształconych ziaren osnowy. Temperatura rekrystalizacji. Najniższa temperatura, w jakiej zachodzi proces
rekrystalizacji, nazywana jest temperaturą rekrystalizacji.
[3] Rozrost ziarna (rekrystalizacja wtórna)
Głównym czynnikiem rządzącym tym procesem jest napięcie powierzchniowe występujące na granicach ziarn,
związane z wyższą energią swobodną atomów znajdujących się na powierzchni ziarn w porównaniu z energią
atomów znajdujących się wewnątrz nich. W konsekwencji w materiale polikrystalicznym będzie występowała
tendencja do zmniejszenia powierzchni ziarn, a więc do ich rozrostu, gdyż związane to jest z obniżeniem energii
swobodnej materiału.
Proces rozrostu ziarna odbywa się przez pochłanianie małych ziarn przez większe. Czynnikiem hamującym
rozrost ziarna są m.in. zanieczyszczenia metalu, wydzielenia innych faz oraz obecność obcych cząstek o dużej
dyspersji celowo wprowadzonych do metalu w celu umocnienia i nadania mu określonych własności
mechanicznych.
33. ZARODKOWANIE PODCZAS REKRYSTALIZACJI, CZYNNIKI DECYDUJĄCE O LICZBIE ZARODKÓW.
Zarodki rekrystalizacji powstają w wyniku kontynuacji drugiego stadium poligonizacji(rozrastania się
subziarn) i łączenia granic wąsko-kątowych. Wynikiem tego jest powstanie subziarn o dużych rozmiarach,
oddzielonych od sąsiadów granicami szerokokątnymi. Ich dalszy wzrost polega na ruchu granicy szeroko-
kątowej, w kierunku obszarów o dużej gęstości dyslokacji. Proces ustaje przy napotkaniu innych ziarn
zrekrystalizowanych.
Głównymi czynnikami decydującymi o liczbie zarodków są: stopień odkształcenia i pierwotna wielkość ziarn w
materiale odkształconym.
34. GŁÓWNE CZYNNIKI DECYDUJACE O PRZEBIEGU REKRYSTALIZACJI.
- stopień odkształcenia plastycznego na zimno,
- temperatura,
- czystość materiału,
- zmagazynowana energia odkształcenia,
- warunki wygrzewania.
35. WYKRESY REKRYSTALIZACJI I ICH ZNACZENIE PRAKTYCZNE, PODZIAŁ OBRÓBKI PLASTYCZNEJ WG.
TEMPERATURY.
Wykresy rekrystalizacji – przedstawiają wyznaczone doświadczalnie zależności miedzy trzema głównymi
zmiennymi: wielkością ziarn, temperaturą rekrystalizacji, stopnieniem odkształcenia plastycznego. Są to
wykresy przestrzenne, sporządzone dla określonego czasu wyżarzania. Są one pewnym przybliżeniem,
ponieważ trudno na nich uwzględnić wpływ wielkości ziarna początkowego oraz szybkości grzania. Wykresów
rekrystalizacji używamy przy wyborze odpowiedniej temp. wyżarzania.
Podział obróbki plast. Wg temp.:
- obróbka plastyczna na zimno – wykonywana w temperaturze niższej niż temperatura rekrystalizacji,
wywołująca umocnienie.
- obróbka plastyczna na gorąco – wykonywana w temperaturze wyższej niż temperatura rekrystalizacji, nie
wywołująca umocnienia.
36. ROZTWORY STAŁE, RODZAJE ROZTWORÓW STAŁYCH, WPŁYW ROZPUSZCZONEGO SKŁADNIKA NA
WŁASNOŚCI.
Roztwory stałe możemy podzielić na:
•
Roztwory miedzywęzłowe,
•
Roztwory różno węzłowe.
Roztwory międzywęzłowe powstają, gdy atomy pierwiastka stopowego mają małą średnicę i mogą w sieci
krystalicznej metalu podstawowego zajmować pozycje międzywęzłowe. Pierwiastkami takimi są: azot, wodór,
węgiel i bor. Wszystkie inne pierwiastki stopowe tworzą roztwory różnowęzłowe, tzn. atomy pierwiastka
stopowego zajmują w sieci krystalicznej położenie węzłowe, zastępując atomy pierwiastka podstawowego. W
obu przypadkach obce atomy tworzą określone defekty punktowe. Ich ilość i wielkość są funkcjami rodzaju i
zawartości pierwiastka stopowego w stopie.
Wyróżniamy także roztwory stałe ograniczone i nieograniczone.
Roztwory stałe nieograniczone mogą tworzyć ze sobą tylko te pierwiastki, które mają jednakowy typ sieci
krystalicznej, zbliżone wielkości średnic atomowych (różniące się nie więcej jak o 10-15%), jednakową
wartościowość i są do siebie podobne pod względem charakteru elektrochemicznego.
Istotny wpływ na własności roztworu stałego wywierają pierwiastki różniące się rodzajem przestrzennej sieci
krystalicznej i średnicą atomową od metalu podstawowego. Takie pierwiastki mogą tworzyć jedynie roztwory
ograniczone, wobec czego w zależności od składu chemicznego stop może być jednofazowy (jeśli zawartość w
nim składnika stopowego nie przekracza granicznej rozpuszczalności w temperaturze otoczenia) lub
dwufazowy, złożony z mieszaniny kryształów roztworu stałego granicznego składnika B w A i kryształów
roztworu stałego granicznego składnika A w B. W tym drugim przypadku własności stopu zależą również od
wzajemnego usytuowania kryształów obu roztworów.
37. WARUNKI POWSTAWANIA UKŁADÓW Z ROZTWORAMI STAŁYMI CIĄGŁYMI.
Warunek wielkości atomu (geometryczny) – wynika stąd, ze promienie atomowe składników tworzących
roztwór stały ciągły nie mogą się różnić od siebie o więcej niż o około 15%.
Warunek elektrochemiczny – wynika stąd, że im bardziej jest elektrododatni jeden, a elektroujemny drugi ze
składników, tym większe jest powinowactwo chemiczne tych pierwiastków, czyli jednocześnie
prawdopodobieństwo utworzenia się zw. chemicznego jest większe.
Warunek wartościowości względnej – odnosi się do roztworów stałych granicznych i określa zakres
rozpuszczalności, gdy pozostałe warunki już są określone.
38. ROZTWORY STAŁE GRANICZNE, CZYNNIKI DECYDUJĄCE O ROZPUSZCZALNOŚCI.
Roztwór jest nazywany granicznym (ograniczonym), jeżeli rozpuszczalność istnieje tylko dla pewnego zakresu
składów, powyżej którego metale nie tworzą jednej wspólnej fazy (nie krystalizują we wspólnej sieci
przestrzennej).
1. Czynnik strukturalny – jednakowy typ sieci przestrzennej obu metali.
2. Czynnik wielkości atomu – różnica wielkości atomów nie większa niż 10-15%
3. Czynnik elektrochemiczny – zbliżone potencjały elektrochemiczne pierwiastków.
4. Czynnik wartościowości względnej – jednakowa wartościowość obu metali sprzyja tworzeniu się roztworów
stałych ciągłych (nieograniczonych)
39. FAZY POŚREDNIE WYSTĘPUJĄCE W STOPACH METALI, CZYNNIKI DECYDUJĄCE O ICH POWSTAWANIU.
Czynniki decydujące o powstaniu i trwaniu faz pośrednich:
- stężenie elektronowe,
- określony stosunek średnic atomowych,
- pozycja składników w układzie okresowym pierwiastków,
- wartościowość.
Fazy pośrednie:
•
Fazy elektronowe –fazy międzymetaliczne tworzące się przy określonych wartościach stężenia
elektronowego, tzn. stosunku liczby elektronów walencyjnych do liczby atomów w jednej komórce
strukturalnej.
•
Fazy Lavesa - grupa faz międzymetalicznych z przypisanym wzorem stechiometrycznym AB2, ale
głównym czynnikiem wpływającym na ich powstanie jest stosunek promieni atomów składników, tzn.
rA./rB. Stosunek ten teoretycznie wynosi 1,225, w rzeczywistości fazy Lavesa powstają w zakresie
stosunków rA./rB = 1,05 ÷ 1,68. Warunek geometryczny powoduje, że fazy Lavesa istnieją w wąskim
przedziale stężeń składników.
•
Fazy międzywęzłowe i fazy o strukturach złożonych.
Fazy międzywęzłowe występują w dość szerokim zakresie stężeń. Wykazują własności metaliczne, są
twarde i kruche, przewodzą prąd elektryczny, mają wysoką temperaturę topnienia i dość dobrą
odporność chemiczną. Izomorficzne węgliki i azotki w stanie stałym wzajemnie się rozpuszczają.
Fazy o strukturach złożonych powstają, jeśli stosunek promieni atomowych pierwiastka
niemetalicznego do metalu przekracza 0,59. Takimi fazami są węgliki żelaza, chromu, niklu, manganu i
kobaltu, węgliki podwójne żelaza i manganu, żelaza i wolframu oraz żelaza i molibdenu, a także
większość borków. Fazy o strukturze złożonej cechuje duża liczba atomów
przypadających na jedną komórkę strukturalną.
•
Fazy sigma - są to fazy międzymetaliczne krystalizujące w sieci tetragonalnej, której komórka zawiera
30 atomów. Tworzą się między niektórymi metalami przejściowymi, takimi jak Cr-Fe, V-Fe, Mo-Fe, Cr-
Co, V-Co, Mo-Co, Cr-Mn, V-Ni i in. Fazy Sigma są twarde i kruche. Największe znaczenie techniczne ma
faza Sigma występująca w stopach żelaza z chromem (stopy odporne na korozję oraz stopy o dużym
oporze elektrycznym), o przybliżonym wzorze stechiometrycznym FeCr, wydzielająca się z roztworu
stałego w temperaturze 815°C.
40. FAZY ELEKTRONOWE W STOPACH METALI, RODZAJE, WŁASNOŚCI.
Fazy elektronowe występują w stopach, w których jednym ze składników jest pierwiastek z szeregu Cu, Ag, Au,
Mn, Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt, drugim - pierwiastek z szeregu Be, Mg, Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb.
Stwierdzono, że istnieją trzy rodzaje faz elektronowych, oznaczane literami β, γ i ε, charakteryzujące się
stężeniami elektronowymi odpowiednio 3/2, 21/13 i 7/4 (oznaczenia pochodzą od faz międzymetalicznych
występujących w stopach Cu-Zn). Fazy β (np. CuZn, Cu3Al, FeAl, NiAl, CoZn3, AgZn) krystalizują bądź w sieci
regularnej przestrzennie centrycznej A2, bądź w sieci regularnej złożonej o 20 atomach, bądź w sieci
heksagonalnej zwartej A3.
Fazy γ (np. Cu5Zn8, Cu31Sn8, Fe5Zn21, Co5Zn21, Cu9Al4, Ag5Zn8) krystalizują w sieci regularnej złożonej o
52 atomach.
Fazy ε (np. CuZn3, Cu3Sn, Ag5Al3, AgZn3) – w sieci heksagonalnej, zwartej A3.
Przy obliczaniu stężeń elektronowych przyjmuje się dla poszczególnych pierwiastków następujące liczby
elektronów walencyjnych:
Cu, Ag, Au l
Be, Mg, Zn, Cd, H 2
Al, Ga, In 3
Si, Ge,Sn 4
Sb 5
Mn, Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt, . . 0
Przy obliczaniu stężenia elektronowego pierwiastkom przejściowym przypisuje się zerową wartościowość, tzn.
zakłada się, że pierwiastki te nie wnoszą udziału elektronów do ogólnego stężenia elektronowego fazy. Fazy
elektronowe istnieją w dość szerokich zakresach stężeń składników, co jest związane z ich typowym wiązaniem
metalicznym.
41. WĘGLIKI WYSTĘPUJĄCE W STALACH STOPOWYCH, RODZAJE, WŁASNOŚCI.
Węgliki można podzielić na dwie grupy: o strukturach prostych i złożonych.
Węgliki o strukturach prostych - krystalizują w układzie regularnym lub heksagonalnym o prostych komórkach
elementarnych. Tworzą je metale, których stosunek promieni atomu węgla do metali jest nie większy niż 0,59.
W większości tych węglików atomy węgla zajmują miejsca w lukach oktaedrycznych (tworząc przy tym własną
sieć składową), dlatego określa się je mianem faz międzywęzłowych. Węglikom o strukturach prostych
odpowiadają wzory: MC i M2C (M — oznacza metal). Do węglików tego typu należą: TiC, WC, NbC, VC, Mo2C
W2C Węgliki te odznaczają się dużą twardością wysoką temperaturą topnienia i dużą trwałością w wysokich
temperaturach.
Węgliki o strukturach złożonych - krystalizują w układzie rombowym, a także regularnym i heksagonalnym o
skomplikowanych komórkach elementarnych, utworzonych z dużej liczby atomów. Stosunek wielkości
promieni atomu węgla do metalu w tych węglikach jest większy niż 0,59. Odpowiadają im wzory M3C, M6C,
M23C6, M7C3. Do węglików o strukturach złożonych zalicza się: Fe3C, Fe3Mo3C, Cr23C6, Cr7C3.
W porównaniu do węglików o strukturach prostych węgliki o strukturach złożonych mają mniejsze twardości,
niższe temperatury topnienia i mniejszą trwałość. Większość węglików może rozpuszczać w sobie inne metale
przejściowe, które zastępują w sieci atomy metalu tworzącego węglik, np. (Cr, Fe)23C6, (Fe, Cr, W, V)23C6.
Węgliki o strukturach izomorficznych mogą rozpuszczać się wzajemnie nieograniczenie, jak np. Fe3C i Mn3C
tworząc (Fe, Mn)3C.
*Węglik żelaza (cementyt), manganu, chromu – struktury złożone, fazy o wyraźnych cechach metalicznych,
występujące tylko przy stałych stosunkach ilościowych składników. Fazy te mają niższe temperatury topnienia
niż fazy międzywęzłowe, są mniej trwałe i podczas grzania rozpuszczają się w osnowie, tworząc roztwory stałe
z żelazem.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Pytania i Odpowiedzi materiały konstrukcyjne, SIMR 1ROK, SIMR SEM 1, MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE, 1 kolo
05 5 Weksel jako zabezpieczenie umowy o odpowiedzialności materialnej za powierzone mienie
01 1 Informacja o obciążeniu pracownika odszkodowaniem z tytułu odpowiedzialności materialnej
Umowa o wspólnej odpowiedzialności materialnej
dziaˆ pi¥ty odpowiedzialno˜† materialna pracownik¢w
Odpowiedzialność materialna pracowników JZ
Dział 5 odpowiedzialność materialna pracowników
Towaroznawstwo i taryfikacja - test B - odpowiedzi, materiały sc, fwdpdpdpdwszystkietestywiataaletak
Towaroznawstwo i taryfikacja - test A - odpowiedzi, materiały sc, fwdpdpdpdwszystkietestywiataaletak
odpowiedzi materialy
odpowiedzialności materialnej pracowników96 Nr3 poz f3
Druki Umowy PL UMOWA O WSPOLNEJ ODPOWIEDZIALNOSCI MATERIALNEJ
Towaroznawstwo i taryfikacja - test B - odpowiedzi, materiały sc, fwdpdpdpdwszystkietestywiataaletak
więcej podobnych podstron