• Materiały dla energetyki i lotnictwa

Pojęcia: Żaroodporność, żarowytrzymałość, granica pełzania, wytrzymałość na pełzanie. Krzywa pełzania. Zakresy pełzania i towarzyszące im zmiany mikrostruktury. Wpływ wielkości ziarna na wytrzymałość na pełzanie. Właściwości i zastosowanie nadstopów niklu.

Żarowytrzymałość – tym pojęciem określamy następujące właściwości mechaniczne i cechy materiałowe w podwyższonej i wysokiej temperaturze w warunkach działania naprężeń: ( Materiały przeznaczone do pracy w temp. Powyżej 550 ^oC)

-długotrwała wytrzymałość na pełzanie;

-wytrzymałość na zmęczenie cieplne i cieplno mechaniczne;

-odporność na kruche pękanie;

-plastyczność;

Żaroodporność - zdolność materiału do przeciwstawienia się korozji gazowej w podwyższonych temperaturach. W celu zwiększenia żaroodporności stali stosuje się dodatki stopowe takie jak: chrom, krzem i aluminium.

Granica pełzania – naprężenie powodujące w danej temperaturze określone wydłużenie trwałe w ciągu określonego czasu. Np. R^­_{1/10 000­} oznacza naprężenie, powodujące wydłużenie trwałe 1% w ciągu 10 000 godzin. Zawsze też podaje się temperaturę do której ta wielkość się odnosi.

Wytrzymałość na pełzanie – naprężenie które powoduje rozerwanie próbki w ciągu określonego czasu w określonej temperaturze. Zwykle wyznacza się ją dla 10 000 i 100 000h. R_{z/100 000­} oznacza wytrzymałość czasową dla 100 000h. Wartość wytrzymałości czasowej odnosi się do określonej temperatury.

Krzywa pełzania

I - odkształcenie zachodzące bezpośrednio po przyłożeniu obciążenia powoduje szybki wzrost gęstości dyslokacji, tworzenie się splotów dyslokacji i struktury podziarnowej

II - w strukturze ustala się równowaga dynamiczna , która powoduje stałą szybkość pełzania; gęstość dyslokacji i wielkość podziarn nie zmienia się w całym drugim zakresie pełzania

III - następuje wyraźna zmiana przekroju poprzecznego próbki spowodowane tworzeniem się szyjki;

W zastosowaniu praktycznym największe znaczenie mają okresy I i II, ponieważ bezpieczna eksploatacja urządzeń może być prowadzona tylko w tych dwóch okresach.

Wpływ wielkości ziarna na wytrzymałość na pełzanie.

. Pełzanie możemy podzielić na pełzania dyslokacyjne i dyfuzyjne. W obu mechanizmach szybkość pełzania jest zależna od szybkości dyfuzji. Przy stałej temperaturze naprężeniu szybkość pełzania dyfuzyjnego maleje ze wzrostem wielkości ziarna. Im większe ziarno (materiały gruboziarniste) tym większa odporność na pełzania. Materiały monokrystaliczne także posiadają znaczną odporność na pełzanie.

Właściwości i zastosowanie nadstopów niklu

• Stopy z pamięcią kształtu

Zagadnienia: zjawisko pamięci kształtu, jednokierunkowy efekt pamięci kształtu, dwukierunkowy efekt pamięci kształtu, pseudosprężystość, zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie

Tytan techniczny i stopy tytanu

Zagadnienia: właściwości mechaniczne i fizyko-chemiczne tytanu technicznego i stopów tytanu, podział stopów tytanu ze względu na strukturę w stanie normalizowanym, zastosowanie tytanu technicznego i stopów tytanu w medycynie

Nadstopy (superalloys) – grupa żarowytrzymałych stopów niklu oraz kobaltu i żelaza umacnianych fazą γ’ (A­­₃ ­B), których temperatura pracy dochodzi do ok. 1000-1100°C;

faza γ’ – jest przykładem nadstruktury – uporządkowanego roztworu stałego. Przy określonym stosunku ilościowym składników w roztworze, nieuporządkowany rozkład atomów w sieci wraz z obniżeniem temperatury przyjmuje rozkład uporządkowany, w którym każdy rodzaj atomów zajmuje określoną pozycję w sieci, przy zachowaniu jej zasadniczego typu. Prowadzi to do powstania nadstruktury.

Zastosowanie: praca w wysokich temperaturach, łopatki turbin w samolotach, turbiny gazowe komunikacji lądowej i morskiej oraz stacjonarnych urządzeń energetycznych

Właściwości

- koherentna z osnową, niewielka różnica parametrów sieci, uporządkowanie hamuje ruch dyslokacji umocnienie,

- mała energia granic międzyfazowych duża stabilność cieplna,

- rozmiar wydzieleń < 0,5μm, udział obj. od 20 do 80%;

- wyjątkowo duża odporność na pełzanie.

Zjawisko pamięci kształtu

Materiały z pamięcią kształtu (SMA) są unikatową klasą stopów metali, które mogą zmieniać kształt, przy podgrzaniu powyżej pewnej temperatury lub na skutek przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego. Zmiana kształtu polega na powrocie materiału do kształtu wyjściowego, tego który został "zapamiętany" lub na tzw. efekcie pseudoelastyczności. Materiały te posiadają dwie stabilne fazy: fazę wysokotemperaturową (austenit) i niskotemperaturową (martenzyt). Możliwość odzyskania pierwotnego kształtu odkształconego elementu (nawet do 10%)

Jednokierunkowy, dwukierunkowy efekt pamięci kształtu

Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu materiał odkształcony w stanie martenzytycznym powraca po nagrzaniu do kształtu nadanego przy istnieniu austenitu.

Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu cykliczna zmiana kształtu wyłącznie w wyniku zmiany temperatury kształt po każdym cyklu powraca do stanu wyjściowego. Odbywa się to bez udziału naprężeń.

Pseudosprężystość – Przemiana fazowa następuje w wyniku przyłożonego obciążenia (bez zmiany temperatury). Wynikiem takiej przemiany jest martenzyt zbliźniaczony zniekształcony oraz bardzo duże odkształcenia.

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie

- filtry żylne

- stenty przywracające drożność naczyń

- klamry zespalające

- gwoździe śródszpikowe

- igły dentystyczne

-stabilizatory kręgosłupa

- druty łukowe w ortodoncji

Implanty do chirurgii szczękowo-twarzowej

Właściwości mechaniczne i fizyko-chemiczne tytanu i jego stopów

-mała gęstość

-biozgodność

-duża wytrzymałość względna

-paramagnetyk

-mała rozszerzalność cieplna

-bardzo dobra odporność na korozję

-mała przewodniość magnetyczna

Właściwości tytanu (czystego)

-Pierwiastek metaliczny,

-wysoka wytrzymałość mechaniczna w stosunku do niskiego ciężaru.

-Jest stosunkowo lekki (gęstość 4507 kg/m³),

-Charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia: 1649 °C.

-Jest błyszczący,

- posiada biały, metaliczny kolor.

- odporny na korozję

- odporny na działanie rozcieńczonych kwasów

- jest paramagnetykiem

- niska przewodniość cieplna i elektryczna

podział stopów tytanu ze względu na strukturę w stanie normalizowanym

Wyróżnia się następujące struktury stopów tytanu:

a)w stanie normalizowanym: (odmiana alotropowa poniżej 882 ^oC jest odmiana α natomiast powyżej odmiana β)

-faza α-w stopach z pierwiastkami stabilizującymi fazę α,

-fazy α+β-w stopach z pierwiastkami stabilizującymi fazę β,

-fazaβ- w stopach o dużej zawartości pierwiastków stabilizujących fazę β,umożliwiających otrzymanie fazy β w temperaturze 25⁰C,

Zastosowanie tytanu w medycynie

stopy tytanu są stosowane jako biomateriał np. na protezy stawu biodrowego, implanty scalające kości oraz w stomatologii

• Polimerowe kompozyty sensorowe półprzewodzące prąd elektryczny – budowa, mechanizm przewodzenia, właściwości. Parametry opisujące zmianę przewodności w polimerowych kompozytach sensorowych pod wpływem nacisku lub temperatury. Pojęcia: materiały funkcjonalne i ich rodzaje, efekt magnetostrykcyjny, efekt piezoelektryczny i efekt piezorezystancyjny.

Budowa kompozytów sensorowych i ich właściwości – materiały te zbudowane są z dwóch faz. Osnowy i wtrąceń. Osnowa jest dielektrykiem. Po przyłożeniu obciążenia może się w znaczny sposób odkształcić plastycznie przez co zmniejszają się odległości między cząsteczkami wtrąceń. Dzięki czemu maleje rezystancja całego kompozytu. Wtrącenia są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego. Zmiana odległości pomiędzy cząstkami wtrąceń może także odbywać się przez zmianę temperatury. Gdyż fazy posiadają różna współczynniki rozszerzalności cieplnej. Wraz ze wzrostem temperatury wtrącenia rozszerzają się w większym stopniu niż osnowa co powoduje łatwiejszy przepływ prądu i spadek rezystancji.

Mechanizmy przewodzenia w takich kompozytach oparte są na zjawiskach:

- perkolacji;

- mechaniczne tworzenie kwantowych tuneli między przewodzącymi cząstkami;

- termiczna aktywacja przeskoków elektronów przez poziomy energetyczne w paśmie zabronionym lepiszcza;

- emisja polowa;

Parametry opisujące zmianę przewodności w polimerowych kompozytach sensorowych pod wpływem nacisku lub temperatury:

Współczynnik rezystancji zależny od:

Temperatury:

$$TWR = \left( \frac{1}{R_{\text{To}}} \right)*\frac{\text{dR}}{\text{dT}}\lbrack 10^{- 6}\frac{1}{K}\rbrack$$

Nacisku:

$$PWR = \left( \frac{1}{R_{\text{To}}} \right)*\frac{\text{dR}}{\text{dp}}\lbrack 10^{- 6}\frac{1}{\text{MPa}}\rbrack$$

Gdzie: R^­_T0- rezystancja przy temperaturze odniesienia.

materiały funkcjonalne: zwane również materiałami inteligentnymi wykazują zdolność do zmiany swoich właściwości lub kształtu pod wpływem zewnętrznego odziaływania np.. ogrzewania, nacisku, pola elektrycznego lub magnetycznego.

Typowe materiały funkcjonalne(rodzaje):

- stopy metali i tworzywa sztuczne z pamięcią kształtu;

-materiały magnetostrykcyjne;

-ciecze elektro- i magnetoreologiczne;

- materiały rezystywne lub piezoelektryczne;

efekt magnetostrykcyjny: to powstanie odkształceń w ferromagnetykach pod wpływem pola magnetycznego. Zmiana rozmiarów pod wpływem pola magnetycznego może mieć charakter liniowy

efekt piezoelektryczny: to zjawisko generowania potencjału elektrycznego przez elementy poddawane mechanicznemu ściskaniu lub rozciąganiu, lub na odwrót zmiany wymiarów tych elementów na skutek przykładania do nich potencjału elektrycznego. Zjawisko jest odwracalne. Najczęściej stosowane są kryształy kwarcu.

efekt piezorezystancyjny: różnie się od efektu piezoelektrycznego tym, że występuje jedynie zmiana rezystancji, nie powstaje żadna siła elektromotoryczna.

Właściwości i zastosowania materiałów ceramicznych. Charakterystyka i metody wyznaczenia krytycznego współczynnika intensywności naprężeń. Budowa, technologia i charakterystyka ceramicznych kompozytów ziarnistych. Wady powstałe podczas wytwarzania kompozytów ziarnistych i ich wpływ na wytrzymałość mechaniczną. Metody badania właściwości mechanicznych materiałów ceramicznych.

Materiały ceramiczna – cechy charakterystyczne:

Własności konstrukcyjne: parametry mechaniczne:

-wysoka wytrzymałość ale niski moduł Weibulla;

- wysoka twardość ale duża kruchość;

- pełzania podkystaliczne;

Potencjalnie dobre właściwości wysokotemperaturowe:

Właściwości funkcjonalne:

-elektryczne

-magnetyczne

-optyczne

Metody wyznaczenia krytycznego współczynnika intensywności naprężeń:

Budowa ceramicznych kompozytów ziarnistych.

Technologia i charakterystyka ceramicznych kompozytów ziarnistych.

Większość materiałów ceramicznych stosowana jest w technice w formie polikrystalicznej, uzyskanej finalnie w czasie procesu spiekania (wypalania). Bardzo często jest to polikryształ jednofazowy lub zawierający niewielkie udziały faz innych niż podstawowa, będące efektem dodatku związków ułatwiających spiekanie lub nieusuniętych zanieczyszczeń. Ciągły rozwój materiałów i optymalizacja ich właściwości użytkowych prowadzi często do wytworzenia materiałów kompozytowych, zawierających świadomie wprowadzone, ściśle określone dodatki faz innych niż podstawowa, które modyfikują mikrostrukturę oraz wprowadzają mechanizmy poprawiające właściwości tworzywa.

Z punktu widzenia zastosowań klasycznie konstrukcyjnych, najistotniejsze cechy materiału to wytrzymałość, odporność na kruche pękanie, wartość energii pękania i ewentualnie cechy użytkowe, takie jak np. odporność na ścieranie.

Wady powstałe podczas wytwarzania kompozytów ziarnistych i ich wpływ na wytrzymałość mechaniczną.

Wytwarzając materiał składający się z dwu- (lub większej ilości) faz należy liczyć się z faktem wprowadzenia do niego, podczas spiekania, naprężeń resztkowych wynikających z różnicy we współczynnikach rozszerzalności cieplnej (α) faz składowych. W czasie studzenia po spiekaniu materiału kompozytowego, różne jego fazy składowe kurczą się w różnych stopniu. Zachowanie spójności materiału powoduje powstawanie naprężeń, których wartości sięgają czasami setek MPa. Może to prowadzić nawet do powstawania pęknięć w kompozycie.

Naprężenia wewnętrzne w kompozycie, nadmierny rozrost ziaren, defekty i nieciągłości materiału,

Metody badania właściwości mechanicznych materiałów ceramicznych.

- wgłębnikowanie metoda Vickersa

- Próby zginania i ściskania

- Tarcie płytki ceramicznej o ścierniwo

- Tarcie trzpienia o płytkę

UZUPEŁNIĆ ZE SPRAWKA Z ZAJĘC JEŚLI DORWĘ

Budowa, rodzaje oraz właściwości cieczy magnetycznych. Pojęcie lepkości cieczy magnetycznych.

Budowa

Jest ona koloidalną zawiesiną cząstek o bardzo małych rozmiarach rzędu 10 nm (nanometrów). Typowa ciecz składa się z około 85% bazy nośnej, 10% surfaktantu, 5% cząstek magnetycznych.

Bazą nośną może być olej mineralny, syntetyczny, woda, oleje na bazie sylikonu itp. Dobiera się ją w zależności od zastosowania. Jest to element magnetycznie obojętny.

Surfaktant jest czynnikiem powierzchniowo-aktywnym, mającym za zadanie zapobieganiu łączeniu się cząstek magnetycznych.

Cząstki magnetyczne wykonane są z materiałów magnetycznych. Najczęściej stosowanym jest magnetyt Fe3O4. Budowa zobrazowana jest na rysunku poniżej. Dzięki bardzo małym rozmiarom możliwe jest wywarzenie stabilnych cieczy magnetycznych, w których cząstki rozmieszczone są równomiernie, nie ulegają sedymentacji pod wpływem pola grawitacyjnego. Ruchy Browna i ruchy termiczne zapewniają jednolitą zawiesinę.

Właściwości:

1. Ferrociecz utrzymywana jest siłami pola magnetycznego. Własność ta pozwala na wykorzystanie jej w uszczelnieniach, głośnikach, słuchawkach akustycznych, tłumikach drgań i wielu innych zastosowaniach,

2. Ciecz może przybierać przestrzenne kształty pola magnetycznego, które przenika przez nią. Co może pomagać w wizualizacji linii magnetycznych przebiegających przez badany obiekt lub wykorzystywane w celach artystycznych,

3. Ciecz magnetyczna zmienia swoją lepkość w zależności od zmiany natężenia pola magnetycznego. Ze względu jednak na niską wartość magnetyzacji zakres sterowalności jest ograniczony w porównaniu do cieczy magnetoreologicznych (ciecze o większych cząstkach i ich udziale objętościowym w porównaniu do ferrocieczy)

Rodzaje cieczy:

-Ciecze ferromagnetyczne – zawierają cząsteczki ferromagnetyczne o średnicach od ok. 5 do 30 nm

-ciecze magnetoreologiczne – zawierają ferromagnetyczne cząsteczki o średnicach od 1 do 5 µm

Lepkość (Viscosity)

Dla wszystkich cieczy w ruchu, cząstki pozostają między sobą w ruchu względnym, procesowi temu towarzyszy wewnętrzne tarcie. Dla cieczy opór ten można określić poprzez parametr lepkości dynamicznej η.

$\mathbf{\eta}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\tau}}{\dot{\mathbf{\gamma}}}\mathbf{\ \ \lbrack}\mathbf{Pa s}\mathbf{=}\mathbf{N s}\mathbf{/}\mathbf{m}^{\mathbf{2}}\mathbf{\rbrack}$- lepkość dynamiczna

$\upsilon = \frac{\eta}{\rho}\ \ \lbrack\frac{m^{2}}{s}\rbrack$- lepkość kinematyczna, ρ – gęstość cieczy

Dla cieczy magnetycznych lepkość zmienia się wraz z zmianą przyłożonego pola magnetycznego do cieczy.

Ze wzrostem indukcji magnetycznej lepkość ciecz rośnie. Najmniejszą lepkością charakteryzuje się ciesz na którą nie oddziałuje pole magnetyczne, a największą lepkością charakteryzuje się ciesz o największym oddziaływaniu pola magnetycznego

• Rodzaje powłok osadzanych technikami PVD i CVD. Wady i zalety cienkich twardych powłok osadzanych na powierzchniach narzędzi i elementów konstrukcyjnych. Nowoczesne powłoki tribologiczne o złożonej mikrostrukturze. Mechanika kontaktu układów powłoka-podłoże - miejsca narażone na powstawanie charakterystycznych form niszczenia takich układów.

Rodzaje powłok PVD:

a) proste: Al, Cu, Ti, TiC, Ag
b)złożone:

• stopowe- wieloskładnikowe VN, ZrN, HfN z C

• wielofazowe TiN/Ti₂N

• kompozytowe: TiC/Al₂O₃

• wielowarstwowe: TiC/ TiN/ ZrN

• gradientowe: TiN/ Ti(CN)/ TiC

Zastosowanie metod CVD:

• ostrza pokryte TiN

• proszek CeO₂ (produkt uboczny) ziarna <1nm

• nanorurki węglowe otrzymywane metodą CVD

• nanotuby węglowe do zastosowań katalitycznych

• warstwy diamentopodobne (mają bardzo złą adhezję do podłoża, tylko metody CVD)

• tlenek CeO₂, itru, cynku

• implantacja warstw diamentopodobnych

• warstwy na okulary

Wady i zalety cienkich twardych powłok osadzanych na powierzchniach narzędzi i elementów konstrukcyjnych

• _ograniczenie szybkości zużycia;

• _niski współczynnik przewodności cieplnej;

• _ograniczenie procesów utleniania i korozyjnych;

• _poprawa własności trybologicznych.

• zwiększenie trwałości;

• możliwość formowania grubych powłok

• kiepska adhezja powłoki do podłoża ze względu na duże naprężenia w powłoce

• zmiana kształtu ostrych krawędzi (ostrzy)

Nowoczesne powłoki tribologiczne o złożonej mikrostrukturze

-Powłoki wielowarstwowe typu ceramika/metal

- Powłoki nanokompozytowe