METALE

1. Co to znaczy, że metale i ich stopy są materiałami sprężysto-plastycznymi?

To znaczy że w pewnym zakresie obciążenia odkształcenie  tworzyw metalowych jest proporcjonalne do naprężenia. Z chwilą przekroczenia krytycznej wartości naprężenia, zwanej granicą plastyczności, metale i ich stopy zaczynają odkształcać się trwale.

1. Co rozumiesz przez umocnienie metali i ich stopów?

Umacnianie metali i ich stopów jest to zabieg, któremu poddaje się obrabiany materiał w celu polepszenia jego własności wytrzymałościowych.

Umocnienie metali i ich stopów polega na przekształceniu struktury w taki sposób, aby uniemożliwić dyslokacje w sieci krystalicznej, np. zatrzymywanie ich ruchu na granicy ziaren. dzieli się na: umocnienie odkształceniowe, umocnienie przez roztwór, umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne,

1. Co to jest obróbka cieplna metali i stopów? Podaj jej klasyfikację.

Obróbka cieplna- zespół zabiegów technologicznych polegających na nagrzaniu przedmiotu do wymaganej temperatury, wytrzymaniu w niej przez określony czas oraz chłodzeniu z zadaną prędkością, w celu wywołania zamierzonych zmian struktury, zapewniających uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych.

.

1. Jaki jest cel nawęglania stali? Dlaczego do nawęglania stosuje się stale niskowęglowe lub niskostopowe i czy nawęglanie samo w sobie jest zabiegiem wystarczającym podczas tego rodzaju obróbki cieplno-chemicznej?

A ) Jaki jest cel nawęglania stali?

Cel nawęglania :  uzyskanie części o twardej i odpornej na ścieranie powierzchni przy zachowaniu plastycznego rdzenia, zapewniającego odporność na obciążenia udarowe.

B) Dlaczego do nawęglania stosuje się stale niskowęglowe lub niskostopowe?

Do nawęglania stosuje się stale niskowęglowe lub niskostopowe aby uzyskać ciągliwy rdzeń

C) czy nawęglanie samo w sobie jest zabiegiem wystarczającym podczas tego rodzaju obróbki cieplno-chemicznej?

NIE, nawęglanie bez następnego hartowania i odpuszczania jest błędem technologicznym i staje się niecelowe

stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej, w celu otrzymania :

• Dużej twardości

• Dużej odporności na ścieranie i wytrzymałość zmęczeniową

• Rdzeń stali wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne działanie obciążeń

1. Dlaczego do azotowania stosuje się stale średniowęglowe uprzednio ulepszone cieplnie i jaka jest temperatura azotowania?

Procesowi azotowania poddaje się przeważnie stale średnio węglowe ponieważ duża zawartość węgla utrudnia proces azotowania, a stale niskowęglowe nie są używane ze względu na ich niską wytrzymałość. Dodatkowo stale te wzbogaca się o pierwiastki takie jak glin, tytan, molibden czy wanad. Pierwiastki te tworzą drobno dyspersyjne azotki znacznie zwiększające wytrzymałość warstwy azotowanej. Stale, które mają być poddane procesowi azotowania, poddawane są wpierw procesowi ulepszania cieplnego w celu zapewnienia odpowiedniej sztywności. Wysoka sztywność wymagana jest z powodu kruchości warstwy azotowanej. Do azotowania stosuje się stale średniowęglowe i uprzednio ulepsza się je cieplnie w celu otrzymania sztywnego rdzenia, aby zapobiec łuszczeniu się cienkiej i kruchej warstwy azotowania

Temperatura azotowania wynosi 500-700̊C, a najczęściej 500-520̊C

1. Co to jest ulepszanie cieplne, a co utwardzanie cieplne?

Ulepszanie cieplne jest to proces polegający na zahartowaniu danej powierzchni, a następnie poddaniu jej procesowi: odpuszczania średniego(300-500 °C ), powodującego powstanie drobnoziarnistej struktury sorbitycznej, która zapewnia znaczną wytrzymałość i dobrą ciągliwość lub procesowi odpuszczania wysokiego(500-700 °C ), w wyniku którego wykształca się cementyt kulkowy w osnowie ferrytycznej nadający danemu elementowi znaczną ciągliwość przy zachowaniu dobrych właściwości wytrzymałościowych.

Utwardzanie cieplne polega na zahartowaniu powierzchni, a następnie poddaniu jej procesowi odpuszczania niskiego (150-200 °C ). Stal poddana temu procesowi cechuje się wysoką wytrzymałością i minimalną ciągliwością. Spowodowane jest to powstaniem struktury martenzytu odpuszczonego.

1. Opisz krótko jak zmienia się mikrostruktura i własności zahartowanej stali podczas jej nagrzewania? Jak nazywamy obróbkę cieplną obejmującą hartowanie + średnie lub wysokie odpuszczanie?

Celem odpuszczania stosowanego po procesie hartowania jest polepszenie własności

plastycznych przy jednoczesnym zachowaniu własności wytrzymałościowych.

• Podczas odpuszczania niskiego występuje martenzyt odpuszczony => wysoka

wytrzymałość przy minimalnej ciągliwości.

• Podczas odpuszczania średniego występuje drobnoziarnisty sorbit (sorbit ma morfologię ilastą/listwową) => znaczna wytrzymałość przy dobrej ciągliwości.

• Podczas odpuszczania wysokiego występuje cementyt kulkowy o osnowie ferrytu (czyli sferoidyt) => dobra wytrzymałość i dobra ciągliwość.

Obróbkę cieplną obejmującą hartowanie i średnie lub wysokie odpuszczanie nazywamy ulepszaniem cieplnym.

1. Na czym polega różnica między hartowaniem, a przesycaniem?

Największa różnica polega na mechanizmie przemiany. Podczas przesycania: chłodzenie z odpowiednią szybkością prowadzi do zatrzymania w sieci rozpuszczalnika nadmiaru składników rozpuszczonych. Podczas hartowania: oprócz powyższego zachodzi również specyficzna przebudowa sieci, wymuszona przemianą alotropową. W wyniku tej przebudowy powstaje martenzyt.

1. Co oznacza termin utwardzanie cieplne, a co ulepszanie cieplne stali?

Utwardzanie cieplne -> hartowanie + niskie odpuszczanie

Ulepszanie cieplne -> najlepsza możliwa obróbka cieplna - hartowanie + wysokie lub średnie odpuszczanie.

1. Co to jest stal i jak jej mikrostruktura oraz własności mechaniczne zależą od zawartości węgla i szybkości chłodzenia?

stal - plastycznie - i najczęściej cieplnie - obrobiony stop żelaza z węglem i innymi dodatkami, otrzymywanym w procesie stalowniczym ze stanu ciekłego, w którym zawartość węgla nie przekracza 2% (rzadko przekracza 0,8%, na rozpuszczalność węgla wpływają duże ilości dodatków stopowych).

jak mikrostruktura i własności zależą od zawartości węgla - więcej węgla = więcej cementytu = większa twardość (i do pewnego stopnia większa ciągliwość, później ciągliwość spada).

wpływ węgla: przy wzroście zawartości węgla zwiększa się udział cementytu w mikrostrukturze a zatem maleje plastyczność a wzrasta twardość , oraz do zawartości węgla ok. 1% wzrasta wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności, powyżej tej wartości maleją, a wzrasta kruchość, przyczyną jest pojawienie się cementytu wtórnego w mikrostrukturze;

większa szybkość chłodzenia (większa od szybkości krytycznej) zapewni uzyskanie struktury martenzytycznej na całym przekroju stali poddanej hartowaniu, w przypadku mniejszej niż krytyczna szybkości chłodzenia głębiej położone warstwy materiału będą miały strukturę bainityczną a nawet perlityczną; uzyskanie str martenzytycznej zwiększa twardość, jednocześnie zmniejsza plastyczność;

1. Co rozumiesz przez przehartowalność, a co przez utwardzalność stali? Która ze stali: A – węglowa o zawartości węgla 1,2%; B– niskowęglowa niskostopowa zawierająca 0,3%C +1% Cr +1% Mo +1% Ni, będzie miała większą utwardzalność, a która większą przehartowalność i dlaczego? Naszkicuj wykres zmian twardości w funkcji odległości od czoła próbki dla tych stali.

Przehartowalność- podatność stali do utwardzania się wgłąb przekroju pod wpływem hartowania.

Utwardzalność- podatność stali do hartowania wyrażona największą twardością jaka można osiągnąć w wyniku hartowania.

Większa utwardzalność- stal węglowa, ponieważ węgiel zwiększa twardość.

Większa przehartowalność- stal stopowa, ponieważ pierwiastki stopowe zwiększają przehartowalność.

1. Jaką główną rolę pełnią mikrododatki w stali umacnianej metodą obróbki termo-plastycznej?

Mikrododatki (V, Nb, Ti, Zr) tworzą dyspersyjne wydzielenia węglików i azotków, hamujące wzrost ziaren austenitu i rekrystalizację- wpływa to na obniżenie temperatury przejścia w stan kruchy i powoduje dodatkowe umocnienie stali.

1. Co to są siluminy? Co to jest modyfikacja i jaki jest cel modyfikacji siluminów nad-, pod- i około eutektycznych?

Modyfikacja- wzrost własności wytrzymałościowych stopu poprzez dodanie do ciekłego stopu substancji(modyfikatora), który powoduje zmiany w mikrostrukturze. Zmiany w mikrostukturze są większe niż wynikałoby to ze składu chemicznego.

Siluminy są to stopy aluminium z krzemem. Odznaczają się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi oraz dobrymi mechanicznymi. Klasyfikuje się je na podeutektyczne(4-10% Si), okołoeutektyczne (10-13% Si) oraz nadeutektyczne(17-30% Si).

Celem modyfikacji siluminów pod- i okołoeutektycznych jest rozdrobnienie krzemu eutektycznego.

Celem modyfikacji siluminów nadeutektycznych jest zmiana kształtu wydzieleń krzemu pierwotnego.

1. Co to jest żeliwo? Podaj jego rodzaje i wskaż jak jego właściwości zależą od mikrostruktury?

Żeliwo jest to stop żelaza z węglem (zawartość węgla powyżej 2%) oraz innymi dodatkami stopowymi krzepnący z przemianą eutektyczną.

Żeliwo białe- węgiel występuje w postaci związanej Fe₃C

Żeliwo szare- węgiel wystepuje w postaci wolnej, czyli grafitu, natomiast w postaci związanej nie przekraczającej charakterystycznej dla perlitu czyli 0,8%

Żeliwo połowiczne- węgiel występuje w postaci wolnej, czyli grafitu, natomiast w postaci związanej powyżej charakterystycznej dla perlitu czyli 0,8%

Żeliwo z grafitem sferoidalnym

Żeliwo ciągliwe- produkt obrobki cieplnej żeliwa białego

Im więcej cementytu tym żeliwo twardsze i bardziej kruche.

Grafit płytkowy zmniejsza plastyczność.

Grafit powoduje: zmniejszenie skurczu odlewniczego, polepsza skrawalność, zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową, zwiększa właściwości ślizgowe, sprzyja tłumieniu drgań.

Im większy udział fazy miękkiej np. ferrytu tym lepsza plastyczność, im większa ilość perlitu tym lepsze własności wytrzymałościowe.

1. Co to jest żeliwo ciągliwe? Jaka jest różnica między obróbką cieplną prowadzącą do otrzymania żeliwa ciągliwego czarnego o osnowie ferrytycznej oraz tą stosowaną do otrzymania żeliwa ciągliwego czarnego o osnowie perlitycznej?

Żeliwo ciągliwe jest produktem obróbki cieplnej żeliwa białego, polegającej na wyżarzaniu odlewów w temp.1000-1050^oC.

Schemat przebiegu wyżarzania żeliwa białego do otrzymania żeliwa ciągliwego czarnego o osnowie ferrytycznej i o osnowie perlitycznej:

1. Co to są brązy, a co to są mosiądze?

Brązy są to stopy miedzi, których głównymi dodatkami stopowymi nie są cynk i nikiel. Klasyczne brązy to stopy miedzi z cyną.

Mosiądze są stopami miedzi, w których zawartość głównego składnika stopowego, jakim jest cynk, sięga 48%.

1. Jakie są różnice między żeliwem białym i szarym? Dlaczego żeliwo szare nie wykazuje praktycznie własności plastycznych lecz pęka w sposób kruchy?

Żeliwo białe Żeliwo szare

Odlewniczy stop żelaza z węglem, w którym węgiel występuje w postaci:

Związanej tj. cementytu. Wolnej, tj. grafitu, a ilość węgla związanego

nie przekracza ilości charakterystycznej dla perlitu.

Przyczyną praktycznie zerowych własności plastycznych żeliwa szarego oraz tego, że wytrzymałość na ściskanie jest znacznie większa niż na rozciąganie jest to, że płatkowa postać wydzieleń grafitu powoduje, że jego obrzeża działają jak koncentratory naprężeń, w których naprężenie osiąga wartość wielokrotnie wyższą niż naprężenie średnie przenoszone przez odlew. Z racji praktycznie zerowych własności wytrzymałościowych każdy płatek grafitu może być traktowany, jako nieciągłość materiału (mikropęknięcie).

CERAMIKA

1. Co to znaczy, że materiały ceramiczne są sprężysto-kruche?

Pojęcie „sprężysto-kruche” informuje nas, że wraz z działaniem pewnej siły na materiał ceramiczny, najpierw następuje odkształcenie sprężyste (rozciągnięcie wiązań między atomami), a w momencie przekroczenia pewnej granicy krytycznej materiał ulega odkształceniu kruchemu (zerwaniu wiązań między atomami). Właściwości kruche materiałów ceramicznych wynikają z bardzo silnych wiązań jonowych lub kowalencyjnych między atomami, w których bardzo ciężko spowodować ruchy dyslokacji, a co za tym idzie spowodowania odkształceń plastycznych.

1. Dlaczego ceramika nie nadaje się do kształtowania metodami obróbki plastycznej?

Ceramika nie nadaje się do kształtowania metodą obróbki plastycznej, ponieważ jest materiałem bardzo kruchym. Jakakolwiek próba zmiana kształtu przez wywieranie nacisku, może skończyć się powstaniem mikropęknięć – a to z kolei może prowadzić do całkowitego pęknięcia materiału. Dodatkowo materiały ceramiczne należą do materiałów o dużej twardości, dlatego obróbka taka byłaby bardzo kosztowna.

1. Dlaczego metale i ich stopy są bardziej odporne na kruche pękanie niż ceramika?

Materiały zdolne do odkształcenia plastycznego, np. miękkie stale, są bardziej odporne na kruche pękanie w przeciwieństwie do materiałów takich cermika, szkło. O odporności na katastroficzne zniszczenie decyduje zdolność do relaksacji koncentracji, tj. spiętrzenia naprężenia u wierzchołka pęknięcia, która może być wynikiem odkształcenia plastycznego.

Materiały kruche to materiały wykazujące małą tolerancję na różnego rodzaju nieciągłości, np. mikropęknięcia. Skłonność do kruchego pękania zależy od twardości i ciągliwości (mat. kruche są twarde i mało ciągliwe).

1. Co to jest moduł Weibull’a? naszkicuj wykres prawdopodobieństwa przetrwania dla materiałów o module Weibull’a m₁=x i m₂=y. Wskaż odpowiednie wykresy na rysunku.

Moduł Weibulla określa szybkość zmniejszania się wytrzymałości w miarę jak naprężenie zbliża się do wartości σ_0.

Wykres: należy narysować wykres jak niżej, zakładając np. że jeśli m1=x > m2=y, to wtedy m1 będzie bardziej pionową linią.

1. Dlaczego ceramika jest materiałem twardym, a dlaczego kruchym?

Wiązania w ceramice są tak mocne, ze nie pozwalają na przemieszczanie się dyslokacji, przez to ceramika jest twarda. Kruchość związana jest ze sposobem kształtowania; ma liczne pęknięcia i nieciągłosci, które powodują spiętrzenia. Wiąże się to z minimalna zdolnością do odkształceń plastycznych.

1. Dlaczego ceramika jest predestynowana do pracy w warunkach ściskania? Dlaczego wytrzymałość na rozciąganie wyznaczona metoda zginania Jost ok. 1,65 razy większa niż ta sama wielkość wyznaczona podczas rozciągania?

W próbie rozciągania metale wykazują zwykle znaczne odkształcenie plastyczne natomiast ceramiki ulegają zniszczeniu już w zakresie odkształceń sprężystych. W próbie rozciągania zniszczenie próbki nastąpiło już przy naprężeniu 280MPa natomiast w próbie ściskania – przy naprężeniu 2100MPa. Materiały ceramiczne są względnie słabe w przypadku obciążeń rozciągających, lecz mocne w przypadku obciążeń ściskających. Ceramiki pękają przy naprężeniach rozciągających znacznie mniejszych od naprężeń obliczonych na podstawie siły wiązań międzyatomowych. Takie zachowanie jest spowodowane tym, że w ceramikach zawsze występują wady (pustki, pory, pęknięcia) powodujące koncentracje naprężeń spowodowane wadami, gdyż naprężenie ściskające powodują domykanie istniejących wad, a nie ich rozwieranie się. Dlatego kruche z natury materiały ceramiczne wykazują znacznie większą wytrzymałość na ściskanie niż na rozciąganie i z tego względu należy stosować takie rozwiązania konstrukcyjne, aby wykonane z ceramik konstrukcje były obciążane głównie siłami ściskającymi, a nie rozciągającymi. Ze względu na bardzo dużą czułość ceramik na wady powierzchniowe zwykle nie poddaje się ich próbie rozciągania.

Należy zaznaczyć , że wyznaczanie wytrzymałości na rozciąganie w klasyczny sposób jest wyjątkowo trudne, o ile w ogóle możliwe. Powodem jest kruchość ceramik, która w większości przypadków uniemożliwia zamocowanie próbki w uchwycie maszyny wytrzymałościowej. Jeśli nawet jest to możliwe to wszelkie błędy zamocowania np. brak współosiowości, silnie zakłócają pomiar, a także jakiekolwiek zgięcie próbki podczas próby prowadzi do jej przedwczesnego zniszczenia, a po drugie wykonanie próbki jest kosztowne. Stąd też najczęściej wytrzymałość na rozciąganie określa się w próbie zginania. Wyznacza się wówczas wytrzymałość na zginanie , nazywaną czasem „modułem pękania” – MOR, która jest zdefiniowana jako maksymalne naprężenie rozciągające w momencie zniszczenia (złamania) próbki.

Dla próbek w postaci belki o długości l obciążonej centralnie siłą F, wytrzymałość na zginanie oblicza się z zależności: = gdzie b i h są odpowiednio grubością i wysokością belki.

1. Wymień 3 przykłady własności ceramiki należących równocześnie do jej zalet i wad. Wyjaśnij tę pozorną sprzeczność.

1. Duża twardość – materiały ceramiczne wykazują dużą twardość rzędu 0,8 * 10-1 H/E,

jednak taka twardość jest zyskiwana kosztem plastyczności. Z tego powodu ceramika jest bardzo krucha.

2. Wysoka żarowytrzymałość – materiały ceramiczne mogą być poddawane działaniu

wysokich temperatur. Wynika to z ich wysokiej temperatury topnienia. Jest to jednocześnie problem przy ich wytwarzaniu, ponieważ jest ciężko i drogo uzyskać odpowiednią temperaturę. Najczęściej stosuje się metodę spiekania.

3. Mała rozszerzalność cieplna – materiały ceramiczne charakteryzują się wyjątkowo małymi zmianami objętości w skutek zmian temperatury. Powoduje to problem z łączeniem jej z materiałami innego typu, które pod wpływem zmian temperatury w większym stopniu zmieniają objętość. Powoduje to duże naprężenia na styku materiałów, co może prowadzić do pęknięć w ceramice, które doprowadzą do zniszczenia materiału.

1. Jaką technologię kształtowania stosuje się w stosunku materiałów ceramicznych? Jaka jest mikrostruktura ceramiki ukształtowanej za pomocą tej technologii?

W stosunku do materiałów ceramicznych stosuje się metodę spiekania proszków. Ceramika kształtowana tą metodą posiada strukturę polikrystaliczną.

1. Jaka energia sprzyja kształtowaniu ceramiki podczas spiekania proszku ceramicznego?

Do spiekania stosuje się proszki silnie zdyspergowane o wielkości ziarna 0,5-1µm, dzięki czemu ich powierzchnia wynosi ok. 1/g. Tak rozdrobnione proszki charakteryzują się znaczną energią powierzchniową (ok.4,2 J/g), stanowiącą siłę napędową procesu spiekania.

1. Dane są dwa elementy z tej samej ceramiki: jeden o przekroju A₁, a drugi o przekroju A₂=10A₁. Czy można założyć, że element o większym przekroju poprzecznym A₂ jest w stanie przenieść 10 razy większe obciążenie niż element o przekroju A₁? Uzasadnij odpowiedź.

Nie, nie można założyć. Wytrzymałość ceramiki jest ściśle uwarunkowaną ilością mikropęknięć. Których wielkość, ilość i rozmieszczenie jest losowa. Więc w małej objętości jest mniejsza szansa pojawienia się pęknięcia krytycznego. Niż w przypadku B. Próbka B nie jest w stanie przenieść 10razy większego obciążenia bo zawiera statystycznie więcej defektów.

1. Od czego zależy wytrzymałość ceramiki?

Wytrzymałość materiałów ceramicznych zależy od wielu czynników:

• Wewnętrznych:

o mikrostruktury (struktura drobnoziarnista jest bardziej wytrzymała od gruboziarnistej)

o stanu powierzchni

o defektów (dyslokacji, granic ziaren, wtrąceń, porów)

o wielkości i kształtu próbki

• Zewnętrznych:

o środowiska

o temperatury

1. Narysuj wykres zachowania się ceramiki pod obciążeniem i zaznacz na nim wielkości charakterystyczne.

PODSTAWOWE

1. Wyjaśnij dlaczego metale i stopy o sieci regularnej ściennie centrowanej są bardziej plastyczne niż te o sieci heksagonalnej zwartej?

Ściennie centrowana, bo ma więcej systemów poślizgu-> płaszczyzny i kierunki o najbardziej zwartej sieci atomów.

Metale i stopy o siec RSC są bardziej plastyczne ponieważ  sieć ta ma płaszczyzny o współrzędnych {111} która posiada najlepszy system poślizgów dzięki czemu ułatwione jest przemieszczanie się dyslokacji które to odpowiedzialne jest za odkształcenie plastyczne.

1. Który spośród stopów metali A- o sieci RSC czy B- o sieci HZ nadaje się do kształtowania raczej metodą odlewniczą, a który metodą obróbki plastycznej i dlaczego?

Do plastycznej RSC bo  ma więcej systemów poślizgu-> płaszczyzny (o współrzędnych 1,1,1) i kierunki o najbardziej zwartej sieci atomów; ułatwiony ruch dyslokacji odpowiedzialny za odkształcenie plastyczne.

Do odlewniczej HZ - sieć heksagonalna zwarta ma mało systemów poślizgu, są sztywne i kruche; systemy poślizgu to są: kombinacje płaszczyzn i kierunków przez które najchętniej będzie przemieszczać się dyslokacja.

1. Podaj klasyfikację defektów sieci krystalicznej i wskaż, które z nich są odpowiedzialne za odkształcenie plastyczne.

Defekty sieci krystalicznej:
-punktowe
-liniowe
-płaskie – powierzchniowe
-objętościowe.

Za odkształcenia plastyczne odpowiedzialne są :

-defekty liniowe
Defekty liniowe to dyslokacje. Jedna z ich właściwości wiążę się z faktem, iż odkształcenie sprężyste wywołane jej obecnością wprowadza zaburzenie w sieci kryształu, a zatem zwiększa energię układu. Naturalne dążenie układu do obniżenia energii wywołuje tendencję do minimalizacji długości dyslokacji, co objawia się występowaniem w nich tzw. napięcia dyslokacji na jednostkę długości. To właśnie ruch dyslokacji dokonującej się pod wpływem naprężenia stycznego jest odpowiedzialny za odkształcenia trwałe, inaczej plastyczne.
Dyslokacje są nośnikami odkształcenia plastycznego i to za ich przyczyną doświadczalna granica plastyczności, tj. naprężenie niezbędne do wywołania odkształcenia trwałego jest wielokrotnie mniejsza od teoretycznej. Wzrastające odkształcenie plastyczne materiału powoduje wzrost liczby dyslokacji.

-defekty płaskie – powierzchniowe
Do defektów płaskich należą granice ziaren oraz granice międzyfazowe (tylko w materiałach dwu- lub wielofazowych). Granice ziaren, podobnie jak dyslokacje, stanowią drogi ułatwionej dyfuzji i odgrywają ważną rolę podczas odkształcenia plastycznego (zarówno w temperaturze otoczenia, jak i podwyższonej).

1. Co rozumiesz przez sztywność materiałów? Który z materiałów stal czy guma jest bardziej sprężysty i dlaczego?

Sztywność materiałów – określa odporność materiału (kształtu) w obszarze odkształceń sprężystych, tj. takich, które ustępują po usunięciu obciążenia (odkształcenie sprężyste wiąże się z wychyleniem atomów z ich położeń równowagowych, któremu nie towarzyszy jednak rozerwanie więzi z ich sąsiadami).
Miarą sztywności jest stała (moduł) sprężystości, zdefiniowany przez prawo Hooke’a, które mówi, że w zakresie sprężystego zachowania się materiału odkształcenie jest proporcjonalne do naprężenia (stosunek siły F do powierzchni przekroju A, na którą ta siła działa).

Sprężystość jest związana z odzyskiwaniem pierwotnego kształtu i wymiarów po usunięciu sił powodujących na odkształcenie.

Bardziej sprężysta jest stal. Guma jest bardzo rozciągliwa, ale nie sprężysta.

Bardziej sprężysta jest stal, bo ma większy moduł Younga.
(Moduł Younga- stosunek naprężeń normalnych do wywołanego odkształcenia sprężystego w zakresie odkszałcenia sprężystego).

1. Czy, a jeśli tak to w jaki sposób możemy znacząco zmienić moduł sprężystości materiałów krystalicznych?

W wypadku materiałów krystalicznych, moduł sprężystości jest stałą materiałową, której wartość możemy zmienić w niewielkim stopniu, lub w ogóle! Wynika to z faktu, iż moduł sprężystości jest funkcją struktury na takim poziomie, na którym nie jesteśmy w stanie istotnie ingerować w strukturę materiału (siły oddziaływania między atomami, stopień wypełnienia przestrzeni).

1. Na czym polega ogólna zasada umacniania materiałów metalowych?

Wszelkie metody umacniania muszą polegać na utrudnianiu ruchu dyslokacji. Wiąże się to z wytworzeniem w materiale różnego rodzaju przeszkód, których skuteczność będzie zależeć od oporu jednostkowego przeszkody oraz ich gęstości.

1. Która z identycznych próbek wykonanych z tego samego metalu (np. Al): A- o wielkości ziarna 10um czy B- o wielkości ziarna 1mm będzie wykazywać większe własności wytrzymałościowe i dlaczego?

Większe właściowosci wytrzymałościowe wykaże próbka A ponieważ ma mniejsze ziarna przez co jest ich wiecej co powoduje wieksza ilosc przeszkód w postaci granic ziaren które zaś blokuja przemieszczanie sie dyslokacji.

1. Co to jest roztwór stały międzywęzłowy, a co różno węzłowy?

Roztwory stałe można podzielić na dwa zasadnicze rodzaje:
a) roztwory międzywęzłowe, b) roztwory różnowęzłowe.
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.

1. Dany jest metal o temperaturze topnienia 327^OC. Czy można umocnić go przez zgniot na zimno? Uzasadnij odpowiedź.

Umocnienie odkształceniowe jest możliwe jedynie podczas tzw. obróbki przez zgniot na zimno, tj. realizowanego w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji.

Czyste metale: temp. rekrystalizacji = (0,2÷0,3)temp. topnienia

Stopy: temp. rekrystalizacji = (0,4)temp. Topnienia

T topnienia= 600 K       Tm= 327̊ C+ 273̊C= 600 K 

T rekrystalizacji w przybliżeniu 0,3* Tm=180 K- 273= -97̊C

Nie można, ponieważ zgniot na zimno musi być wykonywany poniżej temperatury . musiałby być wykonywany w temp ujemnej, co po powrocie do temp pokojowej (ok. 20̊C) będzie prowadziło do rekrystalizacji i usunięciu efektów zgniotu.

1. Opisz krótko (lub zilustruj w tabeli) co dzieje się podczas ogrzewania metalu uprzednio odkształconego przez zgniot na zimno?

Podczas ogrzewania metalu uprzednio odkształconego przez zgniot na zimno przywracane są właściwości plastyczne materiału. Trzy stadia przywracania właściwości plastycznych prowadzonych w podwyższonej temperaturze:

1) Zdrowienie – polega na przegrupowaniu dyslokacji; stosunkowo niewielkie zmniejszenie ich gęstości wskutek tzw. anihilacji; umożliwia to zanik naprężeń własnych i przywrócenie własności plastycznych przy zachowaniu wysokich własności wytrzymałościowych.

2) Rekrystalizacja – zarodkowanie nowych ziaren wolnych od dyslokacji; zanik umocnienia i całkowite przywrócenie własności plastycznych.

3) Rozrost ziaren – zwykle niepożądany, najczęściej pogarsza własności materiałów.

1. Dlaczego odbudowa struktury stopów odkształconych przez zgniot na zimno zachodzi zwykle w wyższej temperaturze niż w czystych metalach?

Może na sam początek zgniotem określa się zmiany, jakie zachodzą w strukturze i właściwościach metali pod wpływem odkształcenia plastycznego na zimno. Zgniot zachodzi poniżej temperatury rekrystalizacji, gdyż szybkość procesów dyfuzyjnych jest mała. Odbudowa struktury zachodzi w wyższej temperaturze, ponieważ stopy zawierają pierwiastki stopowe i zanieczyszczenia które zwiększają temperaturę rekrystalizacji.

1. Dlaczego możemy z pewnym przybliżeniem wnioskować o granicy plastyczności na podstawie wyniku badania twardości?

Granica plastyczności to wartość naprężenia przy której zaczynają powstawać nieodwracalne

odkształcenia plastyczne. Twardość(H) jest związana z plastycznością, ponieważ w próbach badania twardości wykorzystuje się ślad odcisku będący skutkiem odkształcenia plastycznego. Że tak jest przekonuje nas przybliżona zależność zgodnie z którą H~3R, gdzie R to wytrzymałość, odporność na działanie stałego lub narastającego powoli obciążenia. (str. 31-32)

1. Które z tworzyw metalowych A- o sieci RSC, B- o sieci HZ jest bardziej podatne na umocnienie odkształceniowe (przez zgniot na zimno).

Umocnienie odkształceniowe polega na wzajemnym blokowaniu się dyslokacji poruszających się w różnych płaszczyznach poślizgu . Ponieważ sieć RSC posiada więcej niż HZ systemów łatwego poślizgu (spowodowanego płaszczyznami o współrzędnych 1,1,1) to tworzywo o takiej strukturze jest bardziej podatne na umocnienie przez zgniot.

1. Co to jest zmęczenie materiału i czym charakteryzuje się powierzchnia przełomu zmęczeniowego w skali makro- i mikroskopowej?

Zmęczenie materiału można definiować jako uszkodzenie powodowane przez powtarzające się lub zmienne obciążenie, które jednak co do wartości nigdy nie przekracza wartości dopuszczalnej dla danego materiału .

W skali makroskopowej:

-linie zmęczeniowe

-czoło głównego pęknięcia

W skali mikroskopowej:

-prążki zmęczeniowe (wgłębienia i wypukłości biegnące równolegle od czoła pęknięcia)

-ślady wgnieceń

1. Która z próbek A- o gładkiej powierzchni czy B- o powierzchni chropowatej, wykonanych z tego samego materiału jest bardziej odporna na zniszczenie wskutek zmęczenia lub obciążenia udarowego?

Na zniszczenie bardziej podatna jest próbka B (o powierzchni chropowatej), ponieważ posiada mikropęknięcia, które propagują i łączą się w grupy pod wpływem obciążenia zmiennego w czasie. Mikropęknięcia przekształcają się stopniowo w makropęknięcia (powiększają się). Proces postępuje tak długo aż osiągnięta zostanie pewna krytyczna długość pęknięcia, po której element ulegnie gwałtownemu zniszczeniu. Próbka A (o pow. gładkiej) pierwotnie nie posiada mikropęknięć, więc jest bardziej wytrzymała.

1. Co rozumiesz przez temperaturę przejścia w stan kruchy- próg kruchości w tworzywach metalowych o sieci RPC? Czy z punktu widzenia eksploatacji wykonanego zeń elementu, zmieniającej się od -40^oC do +50^oC byłoby lepiej gdy będzie ona wyższa czy niższa?

Progiem kruchości (temperaturą przejścia w stan kruchy) jest określona temperatura, w której obserwuje się skokową zmianę skłonności do kruchego pękania. Im niższa temperatura tym większa skłonność materiału do kruchego pękania.

1. Jaki jest zasadniczy cel obróbki cieplnej zwanej wyżarzaniem? Co znaczy termin, że wyżarzanie stali należy do grupy obróbki cieplnej z przemiana lub bez przemiany fazowej? Podaj po jednym przykładzie każdego z rodzajów wyżarzania.

Wyżarzanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej

temperaturze i chłodzeniu z odpowiednią szybkością. Podstawowym celem wyżarzania jest otrzymanie mikrostruktury możliwie najbliższej stanowi równowagi.. Pod terminem przemiany fazowej rozumie się przemianę perlitu w austenit.

Wyżarzanie bez przemiany: odprężające, rekrystalizujące, ujednoradniające.

Wyżarzanie z przemianą: zupełne, normalizujące, zmiękczające.

1. Co to jest dyfuzja? Która z dwóch próbek tego samego metalu: A- drobnoziarnista czy B- gruboziarnista będzie wykazywać większą dyfuzyjność i dlaczego?

Dyfuzja to proces który polega na transporcie masy w przestrzeni.

Dyfuzja jest to aktywowany cieplnie proces zachodzący wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników Większą dyfuzyjność będzie wykazywać próbka drobnoziarnista ponieważ jej struktura krystaliczna posiada więcej defektów punktowych zwanych wakansami (luki w sieci) które to ułatwiają oraz więcej granic ziaren które stanowią drogę ułatwienia dyfuzji..

 

1. Co to jest dyfuzja? Która z dwóch próbek tego samego metalu: A- umacniana przez zgniot na zimno czy B- wyżarzona, będzie wykazywać większą dyfuzyjność i dlaczego?

Dyfuzja jest to chaotyczna „wędrówka” cząsteczek. Większą dyfuzyjność będzie wykazywać próbka A (ponieważ mniejsze atomy=więcej granic ziaren, więcej defektów punktowych - wakansów).

1. Co to jest dyfuzja? Która z dwóch próbek, które były wyżarzane w piecu w wysokiej temperaturze: A- szybko chłodzona w wodzie czy B- chłodzona wolno wraz z piecem, będzie wykazywać większą dyfuzyjność i dlaczego?

Dyfuzja zależy od zaburzeń sieci, im jest ich więcej tym lepsza dyfuzyjność.Większą dyfuzyjność będzie wykazywać próbka A ponieważ ma więcej wakansów, a więc zaburzeń sieci.

1. Dane są trzy metale A o sieci RSC i promieniu atomowym r_A=0,125 nm, B o sieci RPC i promieniu atomowym r_B=0,128 nm oraz C o sieci RSC i promieniu atomowym r_c=0,145 nm. Czy którakolwiek para rokuje nadzieje na utworzenie roztworu stałego ciągliwego? Uzasadnij odpowiedź.

Żadna para nie rokuje nadziei na stworzenie roztworu stałego ciągłego ponieważ A i B oraz C i B mają inne sieci RSC i RPC co wyklucza utworzenie takowego roztworu ponieważ sieci musza być identyczne, natomiast para AC nie spełnia kolejnego warunku którym jest to że różnica promieni atomowych nie może być większa niż 15%

1. Co jest warunkiem umacniania wydzieleniowego? Narysuj przebieg zmian twardości stopu podczas starzenia w funkcji czasu i temperatury starzenia.

Utwardzanie wydzieleniowe jest możliwe tylko dla stopów:

-w których dodatek stopowy częściowo rozpuszcza się w osnowie

-w wysokich temperaturach tworzy z osnową roztwór stały graniczny

-przy obniżaniu temperatury wykazuje małą rozpuszczalność graniczną

Wykres przedstawiający przebieg zmian twardości stopu podczas starzenia

1. Co jest warunkiem umacniania przez roztwór?

-zmniejszenie szybkości ruchu dyslokacji wskutek zwiększenia naprężana, tarcia sieci

- blokowanie dyslokacji w położeniach wyjściowych

-utrudnienie pokonywania przeszkód wskutek ograniczenia poślizgu poprzecznego

1. Dlaczego metale i ich stopy są bardziej odporne na kruche pękanie niż ceramika?

Skłonność do kruchego pękania, która zależy od ciągliwości i twardości można wyrazić za pomocą wskaźnika kruchości Ib, Kruchość ceramiki wiąże się bezpośrednio z minimalną zdolnością do odkształceń plastycznych, która dla ceramiki jest bardzo mała.0.06-0.22%

1. Co to jest pełzanie? Narysuj wykres ilustrujący szybkość pełzania tego samego materiału w funkcji czasu i temperatury pełzania.

Pełzanie – powolne odkształcenie plastyczne w czasie, które jest funkcją nie tylko naprężenia, ale również temperatury i czasu.

1. Na czym polega umacnianie metali przez rozdrabnianie mikrostruktury (przez granice ziaren)?

Granice ziaren stanowią swoistą przeszkodę dla naprężenia wywołanego siłą działającą na materiał. Tzn., że odkształcenie plastyczne nie odbywa się jednocześnie w całej objętości kryształu, lecz sekwencyjnie, w wyniku czego może się zdarzyć, że w jednych ziarnach odkształcenie będzie sięgało 10%, a w innych tylko 1%.Wniosek: im większa liczba ziaren, tym więcej przeszkód w postaci granic ziaren, a tym samym większe umocnienie.