1. Podać ogólną charakterystykę materiałów metalicznych.

Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami w procesach metalurgicznych polegających zwykle na redukcji prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz rafinacji usuwającej z metalu zanieczyszczenia.

Układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy matali.

Metale i ich stopy są to materiały które w stanie stałym charakteryzują się następującymi właściwościami:

 Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne

 Dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności

 Połysk metaliczny

 Plastyczność, zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem naprężeń

Metale

Materiały charakteryzujące się korzystnym połączeniem właściwości wytrzymałościowych i plastycznych szerokim zakresie temperatury. Wiązanie metaliczne występujące pomiędzy atomami zapewnia natomiast przewodnictwo cieplne i elektryczne.

Właściwości metali: wytrzymałość na ściskanie, skręcanie, odporność na pękanie, twardość, pełzanie i zginanie, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, plastyczne, tworzą stopy metali.

Procesy technologiczne metali

Elementy metalowe wykonuje się metodami:

 Odlewniczymi

 Przeróbki plastycznej

 Metalurgii proszków

 Obróbki skrawaniem

Otrzymywane z rud procesami metalurgicznymi, kształtowane poprzez odlewanie, obróbkę plastyczną, obróbkę skrawaniem, ich właściwości są polepszane za pomocą obróbki cieplnej.

Ze względu na właściwości występujące w przyrodzie zasadnicze znaczenie mają stopy żelaza stanowiące 70% wszystkich materiałów metalowych.

Liczną grupę stosowanych materiałów metalicznych stanowią również metale nieżelazne np. Al, Cu.

2. Charakterystyka i podział materiałów ceramicznych.

Ceramika to nieograniczone związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem i innymi pierwiastkami, w których atomy połączone są wiązaniem jonowym i kowalencyjnym. Zwykle wytwarzane są w wysokotemperaturowych nieodwracalnych procesach. Podstawowy podział to ceramika inżynierska i tradycyjna.

Właściwości: wysoka temperatura topnienia, niski ciężar właściwy, przewodność i rozszerzalność cieplna, wysoka twardość i wytrzymałość na ściskanie, żaroodporna i żarowytrzymała, krucha i odporna na korozję.

Znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach gospodarki.

- budownictwo
- hutnictwo

- elektronika

- transport

- wyposażenie gospodarstw domowych

- przemysł kosmiczny.

Grupy materiałów ceramicznych

 Ceramika inżynierska

 Ceramika porowata

 Materiały ceramiczne o specjalnych zastosowaniach

 Materiały spiekane i wytwarzane metodami metalurgii proszków

 Spiekane materiały narzędziowe

 Szkła

3. Charakterystyka i podział tworzyw sztucznych.

Materiały polimerowe stanowią grupę materiałów organicznych, złożoną ze związków węgla, wodoru i innych pierwiastków niemetalicznych, połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Tworzą się podczas reakcji polimeryzacji, poliaddycji oraz polikondensacji.

Właściwości: niska gęstość, niskie przewodnictwo ciepła i elektryczności, niska wytrzymałość, wrażliwość na działanie podwyższonej temperatury, dobra odporność na korozję, mała stabilność wymiarowa, ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej. Ogólnie polimery dzielimy na nieorganiczne i organiczne a dalej na występujące w przyrodzie i wytwarzane syntetycznie.

Podział tworzyw sztucznych:

1. Ze względu na pochodzenie podstawowego składnika

-tworzywa sztuczne pochodzenia naturalnego – np. galalit, który robi się kazeiny pochodzącej z mleka, czy celuloid, który robi się z celulozy pochodzącej w drewna

-syntetyczne tworzywa sztuczne – w których podstawowy składnik jest substancją otrzymaną na drodze syntezy organicznej

2. Ze względu na fizykochemiczne właściwości przetwórcze

-tworzywa termoplastyczne – uplastyczniające („topiące”) się pod wpływem temperatury np. polietylen, polipropylen, poli(chlorek winylu) itp.
-tworzywa reaktywne – ulegające reakcji chemicznej sieciowania np. żywice epoksydowe, żywice poliestrowe, kauczuk

3. Ze względu na zastosowanie

konstrukcyjne, elastoplastyczne, porowate, powłokotwórcze, adhezyjne, włóknotwórcze, specjalne (wymieniacze jonowe, polimery biomedyczne itp).

4. Ze względu na właściwości fizykochemiczne

- plastomery
- elastomery

5. Ze względu na dodatki, które występują w tworzywie

Napełniacze, plastyfikatory, stabilizatory, antystatyki, barwniki, dodatki przeciwścierne.

4. Materiały kompozytowe – podział, podstawowe właściwości.

Kompozyty to materiały utworzone z co najmniej dwóch komponentów, mające właściwości lepsze w stosunku do tych komponentów oddzielnie. Składa się z osnowy i umieszczonego w niej drugiego składnika nazywanego zbrojeniem. Osnowa ma za zadanie przenosić naprężenia na zbrojenie oraz nadaje odpowiedni kształt. Zbrojenie poprawia własności mechaniczne przedmiotu. Ze względu na osnowę kompozyty dzielimy na metalowe, ceramiczne i polimerowe.

Podział Kompozytów ze względy na zbrojenie: (bo generalnie jest więcej podziałów)

Kompozyty zbrojone dyspersyjnie:

Materiały, w których komponenty zbrojące występują w postaci cząstek o wielkości poniżej 0,1um i udziale objętościowym nie przekraczającym 15%. Efekt umocnienia w tych materiałach uzyskuje się w wyniku hamowania przez cząstki ruchu dyslokacji w plastycznej osnowie.

Kompozyty zbrojone cząstkami:

Jako materiał zbrojący występujący w postaci cząstek mogą być stosowane proszki metalowe i ceramiczne.

W szczególności proszki Al, Ni, Ti, Fe, TiO2, ZrO2, ZrSiO4,

 Cząstki zbrojące mają wielkość od kilku do kilkuset mikrometrów

 Udział objętościowy cząstek może przekraczać 25% do 60%

 Mechanizm umacniania polega na wytwarzaniu w osnowie wokół cząstek hydrostatycznego pola naprężeń

 Obciążenie przenoszone jest również przez cząstki

Kompozyty zbrojone włóknami:

 W tej grupie zbrojenia występują zarówno włókna metalowe, ceramiczne jak i z tworzyw sztucznych

 włókna o bardzo małej średnicy (poniżej 100um) i znacznej długości w ilości do 60% udziału objętościowego, ułożone w postaci rovingu, tkaniny lub maty

5. Opisać podstawowe układy krystalograficzne.

W metalach najczęściej występują struktury (sieci krystaliczne):

- regularny (sześcienny) - układ krystalograficzny, w którym wszystkie trzy parametry mają jednakową długość i są w stosunku do siebie prostopadłe. A1 RSC(ściennie centrowany) A2 RPC(przestrzennie centrowany)

- tetragonalny – układ krystalograficzny, w którym trzy parametry są w stosunku do siebie prostopadłe, dwa z nich mają taką samą długość i leżą w jednej płaszczyźnie, a trzeci jest od nich dłuższy lub krótszy.

- heksagonalny A3( HGU lub HZ) – układ krystalograficzny, w którym trzy z czterech parametrów leżą w jednej płaszczyźnie, mają jednakową długość, a kąt między nimi wynosi 120°. Czwarty jest sześciokrotny, ma inną niż pozostałe długość i jest do nich prostopadły.

- trójskośny - układ krystalograficzny, w którym wszystkie trzy parametry mają różną długość i są do siebie ukośnie nachylone.

- rombowy - układ krystalograficzny, w którym trzy parametry różnej długości są w stosunku do siebie prostopadłe.

- jednoskośny - układ krystalograficzny, w którym są trzy parametry różnej długości, z czego dwa są w stosunku do siebie prostopadłe, a trzeci jest ustawiony skośnie.

6. Rzeczywista struktura kryształów – przykłady defektów.

Struktura materiałów metalicznych - metale w stanie stałym mają strukturę krystaliczną. Kryształy metali są bardzo drobne i makroskopowy kawałek metalu składa się z bardzo wielu ziaren krystalicznych. Atomy w strukturach krystalicznych rozmieszczone są w sposób uporządkowany tworząc przy tym określoną przestrzenną sieć – sieć krystaliczną. W rzeczywistości metale i kryształy innych pierwiastków wykazują skończone wymiary i liczne wady budowy krystalicznej.
Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na:

a) punktowe

b) liniowe

c) powierzchniowe

a) punktowe - brak atomu w węźle sieci, atom w położeniu międzywęzłowym, obcy atom w położeniu atomu macierzystego. (wakanse, obce atomy).

b) liniowe:

- Krawędziowe – powstają poprzez wprowadzenie ekstrapłaszczyzny między nieco rozsunięte płaszczyzny sieciowe, miarą dyslokacji jest wektor Burgersa, wyznaczony poprzez kontur Burgersa i prostopadły do linii dyslokacji krawędziowej.

- Śrubowe - defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej. Wektor Burgersa jest równoległy do linii dyslokacji.

- Mieszane - połączenie dyslokacji krawędziowych i śrubowych.

c) powierzchniowe:

- Granice ziarn - wąska strefa materiału, w której atomy są ułożone w sposób chaotyczny. Dzieli się je na niskokątowe, gdzie kąt między sąsiednimi kierunkami krystalograficznymi wynosi maksymalnie 15oC oraz wysokokątowe, gdzie kąt ten jest większy.

- Granice międzyfazowe – granice między ziarnami różnych faz. Dzieli się je na koherentne, niekoherentne(największe umocnienie metali) i półkoherentne.

- Błędy ułożenia – są to defekty powstające wskutek występowania dyslokacji krawędziowej.

7. Scharakteryzować fazy w stopach metali.

Faza – jednorodna pod względem właściwości część układu, oddzielona od pozostałej granicą międzyfazową po przekroczeniu, której następuje wyraźna zmiana właściwości.

Fazy w metalach:

a) Roztwory stałe

b) Fazy międzymetaliczne

c) Mieszaniny faz

Ad a) Roztwór stały – jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej

o własnościach typowo metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze jest rozpuszczalnikiem, drugi składnik jest pierwiastkiem rozpuszczonym.

Roztwory stałe dzielimy na:

- podstawowe – rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu;

- wtórne – rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna;

lub

- międzywęzłowe – atomy pierwiastka rozpuszczonego są usytuowane w sposób nieuporządkowany w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu rozpuszczalnika;

- różnowęzłowe – atomy pierwiastka rozpuszczonego zajmują dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika;

Ad b) Fazy międzymetaliczne – połączenia metali lub metali z niemetalami, wykazują własności metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego między atomami wchodzącymi w skład fazy.

Ad c) Stanem stopu, występującym bardzo często, jest mieszanina faz. O mieszaninie faz mówi się wtedy, gdy w stopie znajdują się, co najmniej dwie fazy w stanie rozdrobnienia, oddzielone od siebie granicami międzyfazowymi. Każda faza ma przy tym określone, właściwe sobie, skład chemiczny, strukturę krystaliczną i własności. Mieszaniny faz mają zwykle lepsze własności wytrzymałościowe i mniejszą plastyczność od poszczególnych faz.

Mieszaniny faz występujące jako struktury w stopach metali mogą być typu:

- eutektycznego

- perytektycznego

8. Przemiany fazowe w stopach metali.

9. Mechanizmy odkształcenia plastycznego.

Przy wzroście sił, gdy naprężenia przez nie wywołane przekroczą wartość granicy plastyczności, metal zaczyna odkształcać się plastycznie. Odkształcenie to jest trwałe i nie zanika po odjęciu sił zewnętrznych.

Do mechanizmów wywołujących odkształcenia plastyczne należą:

- poślizg dyslokacyjny: wzajemne przemieszczanie się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu.

- bliźniakowanie: jednorodne ścinanie o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania.

- pełzanie dyslokacyjne,

- pełzanie dyfuzyjne,

- poślizg po granicach ziaren: polega na przesuwaniu się i obrotach ziaren wzdłuż ich granic szerokokątowych.

10. Opisać zjawiska podczas wyżarzania po odkształceniu na zimno.

Podczas wyżarzania materiału umocnionego zachodzą w nim kolejno następujące zjawiska:

- zdrowienie statyczne,

- rekrystalizacja statyczna,

- rozrost ziaren- rekrystalizacja wtórna.

Zdrowienie statyczne

Mechanizm zdrowienia statycznego jest procesem zachodzącym podczas wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno.

Podczas zdrowienia następuje:

• dyfuzja i anihilacja defektów punktowych

• poślizg i wspinanie dyslokacji

• anihilacja dyslokacji różnoimiennych

• kurczenie się i zanik pętli dyslokacji

• poligonizacja

Rekrystalizacja statyczna

Jest to proces zachodzący podczas wyżarzania powyżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych na zimno.

Polega na powstaniu zarodków nowych ziarn i ich wzroście najczęściej poprzez koalescencję lub migrację szeroko kątowych granic ziarn.

Rozrost ziaren

Po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej następuje wzrost wielkości ziarna.

Wielkość ziarna po wyżarzeniu rekrystalizującym uzależniona jest od wielkości odkształcenia.

Jeżeli średnica ziarn jest statystycznie jednakowa to jest tzw. normalny wzrost ziarn.

Anormalny wzrost ziarn związany jest najczęściej z procesem rekrystalizacji wtórnej.

11. Odlewnicze stopy żelaza – żeliwa - podział, przykłady znakowania.

12.Stale konstrukcyjne - podział, przykłady znakowania.

Stale konstrukcyjne stopowe

Stosowane do wyrobu części maszyn, urządzeń i elementów konstrukcyjnych pracujących w temperaturze od -40 do +300oC oraz środowiskach nie oddziaływujących szkodliwie na te elementy.

Podział:

-stale niskostopowe o podwyższonej granicy plastyczności,

-stale niskostopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe,

-stale do ulepszania cieplnego,

-stale do nawęglania,

-stale do azotowania,

-stale sprężynowe,

-stale na elementy łożysk tocznych.

Znakowanie:

• Stale spawalne drobnoziarniste: litera S, minimalna Re i litera N(wyżarzone normalizująco) lub M(walcowanie regulowane). Dodatkowo, przy wymaganej udarności do -50oC litera L, np. S420N, S460M

• Stale spawalne na urządzenia ciśnieniowe: P460N(P - na urządzenia ciśnieniowe,

460- minimalna Re w MPa, N - wyżarzona normalizująco),

• Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego: 38Cr2(0,38% C, 0,5% Cr), 50CrMo4(0,5% C, 1% Cr) , 36MnB5(0,36% C, 1,25% Mn),

• Stale sprężynowe: 48Si7(0,48% C, 1,8% Si), 75Ni8(0,75% C, 2% Ni),

• Stale maszynowe na wyroby walcowane na gorąco: E275,

• Stal do zbrojenia betonu: B500,

Stale konstrukcyjne niestopowe

Stale niestopowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj na mało odpowiedzialne konstrukcje w budownictwie przemysłowym i ogólnym, których elementy są łączone przez spawanie, nitowanie lub śrubami.

Podział:

-stale niestopowe spawalne drobnoziarniste,

-stale niestopowe do ulepszania cieplnego,

-stale niestopowe na urządzenia ciśnieniowe,

-stale niestopowe automatowe,

-stale niestopowe do nawęglania(lub azotonawęglania),

-stale niestopowe o określonym przeznaczeniu.

Znakowanie jest analogiczne jak w przypadku stopowych konstrukcyjnych.

13. Stale narzędziowe – podział, przykłady znakowania.

14. Stale o specjalnych właściwościach – przykłady, charakterystyka.

Grupę stali o szczególnych własnościach stanowią stale o własnościach fizycznych, chemicznych lub mechanicznych, jednoznacznie decydujących o ich zastosowaniu. Niejednokrotnie stężenie pierwiastków stopowych w tych materiałach przekracza 50%, dlatego często mówi się o stopach specjalnych, a gdy Fe nie jest głównym składnikiem, a jedynie jednym z wielu –o nadstopach.

Podział

- stale stopowe do pracy w podwyższonej temperaturze,

- stale żaroodporne i żarowytrzymałe,

- stale zaworowe,

- stale i stopy oporowe,

- stopy i nadstopy wysokozarowytrzymałe,

- stale odporne na korozję,

- stale do pracy w obniżonej temperaturze,

- stale odporne na ścieranie,

- stale o szczególnych właściwościach magnetycznych,

- stale typu „maraging”.

Stale stopowe do pracy w podwyższonej temperaturze

Stale stopowe do pracy w temperaturze podwyższonej do ok. 600°C są stosowane

w energetyce na urządzenia ciśnieniowe, głównie na walczaki kotłów parowych, rury kotłowe i przegrzewaczowe, do budowy turbin parowych, wodnych i gazowych, na armatury kotłów

i turbin, zbiorniki ciśnieniowe i inne urządzenia energetyki konwencjonalnej i jądrowej oraz przemysłu chemicznego. Ze względu na szczególne warunki pracy –oprócz określonych własności wytrzymałościowych i ciągliwych w temperaturze pokojowej –stale te cechują się wymaganymi własnościami w temperaturze podwyższonej. Zjawiska zachodzące w stali w temperaturze podwyższonej powodują bowiem z reguły zwiększenie plastyczności, w wyniku czego odkształcenie trwałe zależy od trzech czynników: naprężenia, czasu działania obciążenia i temperatury.

Przykładowe stale: 16Mo3, 14MoV6-3, X16CrMo5-1.

Stale żaroodporne i żarowytrzymałe

Żaroodporność to odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 550°C. Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Zgorzelina powinna stanowić ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do metalicznego rdzenia, co utrudnia dyfuzję utleniacza i jonów metalu. Wymagania te spełniają niskowęglowe stale o jednofazowej strukturze ferrytu lub austenitu, o dużym stężeniu chromu i niklu oraz dodatkowo krzemu i aluminium.

Żarowytrzymałością jest nazywana odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze – powyżej 550°C. Żarowytrzymałość w temperaturze wyższej od 550°C jest uzależniona głównie od odporności na pełzanie. Dużą żarowytrzymałość wykazują więc stale o strukturze austenitycznej – ze względu na mniejsze współczynniki dyfuzji niż w ferrycie, o znacznej wielkości ziarn i z dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach ziarn.

Przykładowe stale:

-wysokochromowe z dodatkiem Al. i podwyższonym stężeniu Si(X10CrAlSi7),

-chromowo-niklowe(X15CrNiSi25-4)

-chromowo-niklowe z dodatkiem Si o strukturze austenitycznej z wydzieleniami węglików (X15CrNiSi25-21)

Stale zaworowe

Szczególną grupę stali żarowytrzymałych, używanych na zawory w silnikach spalinowych, stanowią stale zaworowe. Charakteryzują się one dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750°C. Odporność tę zapewniają głównie dodatki Si i Cr, stąd nazwa tych stali – silchromy.

Przykładowe stale zaworowe: X45CrSi9-3, X55CrMnNiN20-8.

Stale oporowe

Oddzielną grupę stopów żaroodpornych o szczególnych własnościach elektrycznych stanowią stopy oporowe, przeznaczone na elementy grzejne pieców i innych urządzeń nagrzewających do obróbki cieplnej. Odporność na pełzanie i odporność korozyjna decydują przede wszystkim o trwałości elementów grzejnych.

Stale i stopy oporowe można podzielić ze względu na skład chemiczny i strukturę na:

-niklowo–chromowe o strukturze austenitycznej (tzw. chromonikieliny lub nichromy) –z dodatkiem Fe, a także niedużymi dodatkami Mn i Si, zawierające kilka setnych części procentu węgla,

-żelazowo–chromowo–aluminiowe o strukturze ferrytycznej (tzw. Ferchromale lub fechrale), zawierające niewielkie dodatki Mn i Si oraz kilka setnych części procentu węgla.

Nadstopy i stopy wysokożarowytrzymałe

Stopy żelaza zawierające więcej niż ok. 50% dodatków stopowych noszą nazwę nadstopów. Stopy te zawierają Cr, co zapewnia im żaroodporność, oraz Nb, Zr, Ti, Al i N, umożliwiające utwardzanie wydzieleniowe.

Nadstopy żarowytrzymałe dzieli się na następujące grupy:

-stopy na osnowie Fe, zawierające Cr iNi,

-stopy złożone Fe–Cr–Ni–Co,

-stopy na osnowie Co bez Fe, zawierające Cr, Ni, Mo, W,

-stopy na osnowie Ni, zawierające Cr, niekiedy Co, a także niewielkie dodatki Mo, Ti, Al, Zr,

Stopy te są stosowane głównie na łopatki, wirniki oraz dysze turbin parowych i silników odrzutowych

Stale odporne na korozję

Przyjmując za kryterium podziału odporność na korozję, można wyróżnić:

-stale trudno rdzewiejące,

-stale odporne na korozję.

Stosuje się także podział stali odpornych na korozję uwzględniający ich skład chemiczny, wyróżniając m.in. stale:

-wysokochromowe(np. X2CrNi12, X46Cr13),

-chromowo–niklowe(np. X10CrNi18–8, X2CrNiMo18–15–4),

-chromowo–niklowo–manganowe(np.?).

Stale do pracy w obniżonej temperaturze

Stale do pracy w obniżonej temperaturze są stosowane w zakresie od poniżej 0°C do temperatury wrzenia helu, tj. ok. –269°C, w chemii i petrochemii, chłodnictwie, przemysłach stoczniowym, lotniczym, nuklearnym i kosmonautyce, a także do wytwarzania zbiorników do magazynowania ciekłych gazów. Wraz z obniżeniem temperatury pracy zwiększa się wytrzymałość, natomiast zmniejsza ciągliwość i odporność stali na kruche pękanie. Obniżenie temperatury powoduje bowiem zmniejszenie ruchliwości dyslokacji i ich tzw. Zamrożenie.

Do pracy w obniżonej temperaturze są stosowane:

- stale węglowe i niskostopowe; mogą pracować w temperaturze nie niższej od –50°C; zawierają dodatek Mn i niewielkie dodatki Al, Nb, V, niekiedy także Ni, Mo, Cr i Cu o stężeniu nieprzekraczającym 1%,

- stale niklowe o stężeniu od 1,5 do 9% Ni – w temperaturze od –50 do –200°C;

- stale chromowo–niklowe i chromowo–niklowo–manganowe o strukturze austenitycznej i stosunkowo niskiej granicy plastyczności, nieznacznie zmniejszającej się wraz z obniżeniem temperatury badania,

- stopy wysokoniklowe o strukturze austenitycznej, w tym tzw. inwar o stężeniu 36% Ni, w których próg kruchości nie występuje aż do temperatury wrzenia He, tj. do ok. –269°C.

Stale odporne na ścieranie

Typowa stal odporna na ścieranie, X120Mn13, nazywana stalą Hadfielda, zawiera 1,1÷1,3% C i 12÷13% Mn. Stal Hadfielda umacniająca się w czasie pracy, jest stosowana na elementy narażone na ścieranie przy dużych i dynamicznych naciskach powierzchniowych, np. na kosze koparek, gąsienice do ciągników, rozjazdy kolejowe, łamacze kamienia i młyny kulowe.

Stale o szczególnych właściwościach magnetycznych

W elektrotechnice i elektronice szerokie zastosowanie znajdują stale o szczególnych własnościach magnetycznych. W zależności od kształtu pętli histerezy materiały te dzieli się na:

- magnetycznie miękkie (m) –o dużej pozostałości magnetycznej Br i małym natężeniu koercji Hc(np. stal M800–100A),

- magnetycznie twarde (t) –o mniejszej pozostałości magnetycznej i znacznie większym natężeniu koercji(np. stal X98CoCr6–6).

Stale typu „maraging”

Grupę stali typu „maraging“ stanowią niskowęglowe stopy żelazowo–niklowe o strukturze martenzytycznej, utwardzane wydzieleniowo, cechujące się znaczną wytrzymałością i plastycznością. W odróżnieniu od stali zawierających węgiel występujący w roztworze stałym lub w fazach węglikowych, stale typu „maraging“ umacniają się dzięki wydzielaniu faz międzymetalicznych, np. Ni3Ti, Fe2Mo, Ni3Mo, NiAl2.

Stale typu „maraging“ znajdują zastosowanie jako materiał konstrukcyjny do wytwarzania elementów pracujących w szerokim zakresie temperatury – od obniżonej do ok. –200°C po wysoką –do ok. 600°C, w szczególnie ciężkich warunkach obciążeń mechanicznych. Stale te są stosowane najczęściej w technice lotniczej i rakietowej, w przemyśle zbrojeniowym, a także w chemicznym i naftowym na zbiorniki wysokociśnieniowe, w budowie okrętów, do wyrobu sprężyn. Stale typu „maraging“ o odpowiednio dobranym składzie chemicznym są także stosowane na niektóre narzędzia do pracy na gorąco, w tym na matryce kuźnicze, a specjalne stale bezniklowe także na narzędzia tradycyjnie wytwarzane ze stali szybkotnących.

15. Miedź i jej stopy.

Miedź jest metalem krystalizującym w sieci RSC. Nie ma odmian alotropowych. Temp. topnienia wynosi . Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną. Stąd wynika jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na bardzo dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się stopy miedzi, ze względu na ich wyższe własności wytrzymałościowe. Stopy miedzi z cynkiem nazywane są mosiądzami.

Stopy miedzi z cyną lub innymi metalami (Si, Al, Be) zwane są brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami.

16. Tytan i jego stopy.

Tytan, podobnie jak aluminium i magnez, można zaliczyć do metali lekkich (q = 4,507 Mg/m3). Jego własności: dość duża wytrzymałość i plastyczność, mały ciężar właściwy, odporność na korozję.

Głównymi dodatkami stopowymi tytanu są: Al, Sn, Mo, V, Mn, Fe, Cr, przy czym aluminium występuje prawie zawsze w ilości 3 – 6 %. Pierwiastki stopowe, rozpuszczając się w tytanie, zwiększają jego wytrzymałość, przy czym największy efekt umacniający dają Fe, Cr i Al.

Zastosowanie Ti i jego stopów:

Kosmonautyka, lotnictwo, budowa aparatury chemicznej, urządzenia dla przemysłu spożywczego, przemysł farmaceutyczny, medycynie, metalurgii.

17. Stopy aluminium – przykłady.

Stopy aluminium cechują się wysokim stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, większym niż dla stali, a ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temp. mają większą udarność niż stal. Stopy Al cechują się jednak małą wytrzymałością zmęczeniową.

Techniczne stopy Al - dwuskładnikowe lub wieloskładnikowe - ze względu na sposób otrzymywania dzielimy na :

• odlewnicze

• do przeróbki plastycznej

Niektóre z nich mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze, do p. plastycznej oraz OC - tzn. utwardzania wydzieleniowego.

Odlewnicze stopy aluminium:

- siluminy: stopy Al z Si

- stopy z miedzią i magnezem

Stopy aluminium do obróbki plastycznej:

- stopy z miedzią (AlCu)
- stopy z magnezem (AlMg)
- stopy z manganem (AlMn)
- stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg, Mn są dodatki Si, Zn, Cr.

18. Opisać podstawowe metody badań struktury.

Podstawowe metody badań struktury - materiałach wyróżnia się kilka poziomów struktury. Wszystkie są ze sobą wzajemnie powiązane i współdecydują tym samym o właściwościach materiałów.

Badania makroskopowe - służą głównie do oceny jakości materiałów. Są powszechnie stosowane w kontroli gotowych wyrobów lub półwyrobów. Celem tych badań jest wykrycie wszelkich nieciągłości materiału (pęknięć, zawalcowań, pęcherzy podskórnych, jam skurczowych) oraz niejednorodności chemicznych lub strukturalnych. Polegają na obserwacji nieuzbrojonym okiem lub przy nieznacznym powiększeniu (x40), powierzchni wyrobów lub odpowiednio przygotowanych przełomów albo powierzchni wyszlifowanych i wytrawionych odpowiednimi odczynnikami.

Badania mikroskopowe - przeprowadza się przy użyciu mikroskopu świetlnego na specjalnie przygotowanych próbkach w postaci zgładu metalograficznego w stanie nietrawionym lub trawionym. Obserwacja pod mikroskopem pozwala na:

- określenie wielkości i kształtu ziaren, z których składa się dany metal lub stop

- wykrywanie wtrąceń niemetalicznych oraz wad wewnętrznych

- identyfikowanie poszczególnych składników fazowych i strukturalnych

- określenie zastosowanej technologii wytwarzania wyrobów.

Badanie metalograficzne na elektronowym mikroskopie skaningowym - w konstrukcjach tych mikroskopów nad próbką przesuwa się sonda skanująca, zależnie od konstrukcji może ona wysyłać wiązkę elektronów (skaningowy mikroskop elektronowy emisyjny), rejestrować prąd płynący pomiędzy sondą a próbką na skutek efektu tunelowego (skaningowy mikroskop tunelowy) lub rejestrować zmiany pola elektrycznego (skaningowy mikroskop polowy). Uzyskane informacje przetwarzane są na obraz. Te konstrukcje mikroskopów pozwalają dostrzec przedmioty rozmiarów pojedynczych atomów.

Badanie metalograficzne na elektronowym mikroskopie transmisyjnym - w mikroskopie prześwietleniowym badany preparat jest prześwietlany strumieniem elektronów przyśpieszonym w polu elektrostatycznym. Przy czym strumień ten jest formowany i skupiany w próżni, polach magnetycznych soczewek. Elektrony przenikając przez preparat oddziałują z jego atomami ulegając częściowemu rozproszeniu oraz ugięciu. Następnie po opuszczeniu dolnej powierzchni preparatu są skupiane przez obiektyw tworząc obraz dyfrakcyjny i dalej interferują ze sobą tworząc powiększony obraz preparatu. Analiza zarejestrowanego na kliszy obrazu umożliwia określenie struktury krystalicznej i wzajemnej orientacji faz w badanym obszarze. Prześwietleniowy mikroskop elektronowy składa się z kolumny mikroskopu, układu próżniowego i układu zasilającego.

Przyjmując za kryterium podziału warunki pracy mikroskopu prześwietleniowego wyróżnia się następujące techniki badań struktury preparatów:

- obserwacje w polu jasnym (światło pada pod kątem prostym)

- obserwacje w polu ciemnym(światło skierowane jest ukośnie do próbki, efektem jest ujawnienie wypukłych i wklęsłych linii i punktów)

- badania dyfrakcyjne.

19. Metody badań właściwości mechanicznych.

• Statyczne próby wytrzymałościowe: rozciągania, ściskania, zginania.

• Badania twardości: metoda Brinella, Vickersa, Knoopa, Rockwella.

• Próby udarności.

• Próby zmęczeniowe.

• Próby pełzania.

20. Zasady doboru materiałów.

Dobór materiału towarzyszy procesowi projektowania na wszystkich etapach. Dane materiałowe są potrzebne na każdym etapie procesu projektowego, jednak w zróżnicowanym zakresie i o różnej szczegółowości.

Wykresy doboru materiałów przedstawiają w praktyczny sposób inżynierskie właściwości materiałów. Zawierają one podsumowanie licznych informacji w syntetycznej i przystępnej postaci, pokazują zakresy właściwości dostępnych dla projektanta oraz umożliwiają ustalenie zbiorów materiałów charakteryzujących się określonymi właściwościami.

Wykresy doboru materiałów służą do ilościowej prezentacji właściwości materiałów i mają następujące cechy:

•Zakres wartości na osiach wykresu jest tak dobrany, aby objąć wszystkie materiały inżynierskie,

•Dane dla określonego rodzaju materiałów (np. Polimerów) skupiają się w pewnym obszarze wykresu,

•W obrębie pola zajmowanego na wykresie przez każdy rodzaj materiału uwzględniono informacje dla reprezentatywnego ich zbioru - zbiór ten składa się z materiałów najpowszechniej i najczęściej stosowanych, wybranych tak, aby został objęty pełny zakres właściwości danej grupy.

Głównym problemem związanym doborem materiału w czasie projektowania jest zależność między funkcją, materiałem, metodą wytwarzania i kształtem wyrobu.

Funkcja narzuca dobór materiału, a kształt zostaje zaprojektowany tak, aby przy użyciu odpowiedniego materiału, spełniał określoną funkcję. Metoda wytwarzania jest uzależniona od pewnych właściwości materiału (np. plastyczności, skrawalności, spawalności, podatności do obróbki cieplnej). Zależy ona również od kształtu, gdyż kształt powstaje w wyniku jej zastosowania. Od metody wytwarzania zależą też konkretne wymiary, ich dokładność i koszt wyrobu. Zależności są wielostronne: wymagany kształt ogranicza dobór materiału, podobnie jak i metody wytwarzania.