Pytania kolos ZMI
Definicja nanomateriału
Nanomateriałem nazywamy substancję polikrystaliczną, złożoną z ziaren
o wielkości nieprzekraczającej 100 nm. Wielkością tą może być średnica ziarna bądź też grubość warstw wytworzonych lub naniesionych na podłożu. Mniejszy rozmiar ziarna powoduje zwiększenie powierzchni właściwej granic ziarn w jednostce objętości. Taka gęstość granic ziaren nadaje nanomateriałom unikatowe właściwości, których nie mają ich odpowiedniki w skali mikrometrycznej np. w niskiej temperaturze.
Dwie podstawowe metody wytwarzania nanometali.
Metody wytwarzania nanometali można podzielić na dwie grupy:
Metody bottom up, polegają na budowaniu struktury nanometrycznej
z pojedynczych atomów lub cząstek. Do metod tych zalicza się m.in. osadzanie
z fazy gazowej lub ciekłej, nanokrystalizację z fazy amorficznej oraz konsolidację nanoproszków.
Metody top – down, polegają na rozdrobnieniu struktury mikrometrycznej do skali nanometrycznej. W przypadku nanometali największą rolę wśród tych metod odgrywają metody dużego odkształcenia plastycznego.
Na czym polega metoda ECAP?
Metoda ta polega na wielokrotnym przeciskaniu próbki przez kanał kątowy
o określonej geometrii. W wyniku działania naprężeń ściskających w obszarze zagięcia kanału materiał odkształca się. Proces ten można powtarzać wielokrotnie. Odkształcenie metodą ECAP może być przeprowadzane według czterech schematów odkształcania:
(A) położenie próbki nie zmienia się podczas kolejnych cykli
(B) próbkę po każdym cyklu obraca się wokół jej osi o kąt 90˚
(C) o kąt 180˚
Schemat odkształcenia determinuje położenie płaszczyzn ścinania podczas kolejnych cykli.
Na czym polega metoda SPD?
Metody dużego odkształcenia plastycznego SPD opierają się na koncepcji przekształcenia mikrometrycznej struktury ziarnistej konwencjonalnych materiałów
w strukturę nanometryczną, poprzez reorganizację struktury dyslokacyjnej, tworzącej się
w przypadku odkształcenia plastycznego. Po przekroczeniu pewnej krytycznej wartości odkształcenia w materiale zaczynają się tworzyć komórki i ściany dyslokacyjne, pasma ścinania, zmniejszają się odległości między granicami, zwiększa się kąt dezorientacji.
W efekcie powstają ziarna o wielkości nanometrycznej i dużym kącie dezorientacji. Dwa standardowe przykłady takich metod to:
ECAP
HTP
Wymień metody pomiaru twardości i krótko scharakteryzuj:
Statyczne metody pomiaru twardości polegają na wciskaniu wgłębnika w badany materiał poza granicę sprężystości, do spowodowania odkształceń trwałych. Twardość wyznaczaną tymi metodami można zdefiniować jako miarę odporności materiału na odkształcenia trwałe, powstające w wyniku wciskania wgłębnika. Do najczęściej stosowanych statycznych metod pomiarów twardości należą metody:
Statyczne:
Brinella - HB kulka ze stali hartowanej lub węglików spiekanych, niszcząca
Rockwella HR do hartowanej, niehartowanej, stożkiem diamentowym o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia 0,2 mm lub stalowa kulka
o średnicy 1,59
Vickersa HV czworobocznego foremnego ostrosłupa diamentowego o kącie wierzchołkowym 136˚ pod zadanym statycznym obciążeniem F i zmierzeniu przekątnych d powstałego odcisku w kształcie kwadratu.
Grodzińskiego,
Knoopa,
Dynamiczne
Młotek Poldi
Shorea
Zarysowania:
Mohsa
Martensa
Metody dynamiczne – wykonywane są znacznie rzadziej niż statyczne, z powodu mniejszej dokładności. Wykorzystywane są zwykle w celu kontroli pracy i jakości materiałów. Pomiar polega na udarowym działaniu wgłębnika na badaną powierzchnię
Pomiar twardości metodą Vickers’a polega na wciskaniu wgłębnika w kształcie ostrosłupa diamentowego o kącie wierzchołkowym 136. Twardość oblicza się poprzez stosunek siły wciskającej wgłębnik w badany materiał do pola powierzchni bocznej odcisku. Wywierany nacisk, w zależności od rodzaju powierzchni, może być dobierany
w zakresie od 9,8 do 981 N (od1 do 100kG). Przykład: 640 HV 10/30 oznacza: 640HV-twardość, 98N(10kG) –obciążenie i 30s – czas pomiaru.
Rockwell: Metoda polega na pomiarze głębokości odcisku wykonanego przez wciśnięcie kulki stalowej o średnicach od 1,588 mm (1/16cala) lub 3,175mm; lub stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120 w powierzchnię badanego materiału [4].
Brinell: Pomiar polega na wciskaniu wgłębnika (hartowana kulka stalowa lub
z węglików spiekanych o średnicy D) pod obciążeniem F w powierzchnię badanego materiału, w czasie T. Średnica odcisku kuli D służy do obliczania pola powierzchni czaszy. Twardość oznaczana jest symbolem HB. Do pomiaru stosowane są kulki
o średnicy D- 10; 5;2,5;2 i 1 mm
6. Podaj 4 grupy materiałów inżynierskich i krótko opisz jedną z nich
Materiały inżynierskie:
Metale
Polimery
Ceramika
Kompozyty
Materiały ceramiczne – materiały nieorganiczne o jonowych i/lub kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w procesach wysokotemperaturowych.
Podział:
ceramika inżynierska – wytwarzana jest w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze, bez udziału fazy ciekłej bardzo czystych związków (tlenki, węgliki, azotki) Wykazuje w stanie stałym postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie teoretyczną gęstość,
cermetale – złożone z drobnych cząstek krystalicznych np. węglików czy azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów,
ceramika porowata (tradycyjna) zwykle obejmuje masowo produkowane materiały budowane oraz ogniotrwałe,
szkła – stan strukturalny szkieł jest pośredni miedzy stanami ciekłym i stałym. Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe : SiO2, B2O3
i P205,
ceramika szklana – powstaje przez krystalizację masy szklanej w ściśle określony sposób, umożliwiający wytworzenie struktury drobnoziarnistej bez porowatości
z pozostałością ok. 2% fazy szklistej.
Tworzywa szklano ceramiczne: składają się z Li2O-Al2O3-SiO2.
Krzemionka: żarowytrzymała,
Materiały ogniotrwałe,
Materiały ścierne: stosowane do cięcia, szlifowania i polerowania
Kompozyt — materiał składający się z dwóch lub większej liczby różnych materiałów:
celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi
rozłożonych w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności
posiadających właściwości wyjątkowe i lepsze niż indywidualne składniki.
Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilości nazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane napełniaczem, wzmocnieniem lub
zbrojeniem.
7. Na czym polega umocnienie odkształceniowe
Umocnienie odkształceniowe jest to zjawisko wzrostu wytrzymałości metali w trakcie ich deformacji plastycznej poniżej temperatury rekrystalizacji. W trakcie umocnienia dochodzi do wzrostu naprężeń, przy których zachodzi płynięcie plastyczne materiału, spowodowane wcześniejszym odkształceniem plastycznym. Spowodowane jest to wzajemnym oddziaływaniem dyslokacji. Nieruchome dyslokacje blokują dyslokacje zdolne do ruchu – dyslokacje stają się przeszkodami w ruchu dla samych siebie. Przyrost gęstości dyslokacji w odkształcanym materiale obserwowany jest do momentu wystąpienia pewnego „nasycenia” – następnie mogą wystąpić procesy anihilacji, czyli zmniejszanie efektu umocnienia dyslokacyjnego, które przekłada się na obniżenie umocnienia odkształceniowego. Wzrostowi gęstości dyslokacji towarzyszy często zwiększona tendencja do lokalizacji naprężeń ścinających. Proces ten sprzyja generowaniu dyslokacji
i ich anihilacji w granicach ziarn. Jest to jedno z podstawowych źródeł utraty ciągliwości w materiałach ultradrobnoziarnistych i nanokrystalicznych. Podczas umocnienia wyraźnie obniża się ciągliwość, dlatego konieczne jest zachowanie pewnej równowagi między nią
a umocnieniem zgniotem. Wzrost temperatury uaktywnia pewne mechanizmy, które łagodzą stopień umocnienia. Odkształceniu plastycznemu mogą towarzyszyć zjawiska:
Blokowanie ruchu dyslokacji,
Powstawanie pasm ścinania,
Wzrost znaczenia strefy granic ziarn – tzw. efekt „rdzenia i płaszcza”,
Zanik efektu spiętrzania dyslokacji na granicach ziarn.
Wyżej wymienione zjawiska, których bezpośrednim efektem jest odkształcenie plastyczne, występują najczęściej równolegle, a stopień aktywności danego mechanizmu zależy przede wszystkim od poziomu rozdrobnienia struktury (konkretnie od udziału objętościowego granic ziarn szeroko i wąskokątowych). Zależy także od rodzaju sieci krystalicznej czy też od zastosowanych warunków odkształcania.
Zmiany zachodzące w strukturze i właściwościach metali pod wpływem odkształcenia plastycznego na zimno określa się zgniotem. Jego miarą jest stopień gniotu wyrażony ubytkiem przekroju mierzonego w procentach.
8. Opisz proces zgrzewania oporowego
Połączenie w wyniku zgrzewania powstaje na skutek działania w miejscu łączenia docisku. Czasami wystarcza sam docisk, jednak z reguły oprócz docisku występuje również ciepło lub inne zjawisko fizyczne. Zgrzewanie elektryczne oporowe jest procesem, w którym trwałe połączenie uzyskuje się w wyniku nagrzania obszaru styku łączonych przedmiotów przepływającym przez nie prądem elektrycznym i odkształcenie plastyczne tego obszaru odpowiednią siłą docisku. Zgrzewanie oporowe dzieli się na:
Doczołowe,
Punktowe
Garbowe
Liniowe
9. Scharakteryzuj materiał kompozytowy
Materiały kompozytowe są połączeniami dwóch lub więcej odrębnych
i nierozpuszczalnych się w sobie faz, których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie.
Materiały kompozytowe, dzielą się
ze względu na osnowę : metalową, polimerową, ceramiczną, międzymetalicznej, organicznej i węlowej;
rodzaj wzmocnienia : cząstkami (duże cząstki, utwardzane dyspersyjne), włóknami ciągłymi, tkaninami, włóknami nieciągłymi (zorientowane i rozmieszczone przypadkowo), kompozyty strukturalne (warstwowe, z rdzeniem z materiałów lekkich), szkieletowe, warstwowe w laminatach, płatkami,
Podział w zależności od pochodzenia:
Kompozyty naturalne
Zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka
Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe, aramidowe (kevlar), boru, cząstki węglika krzemu SiC, tlenku aluminium, tlenku cyrkonu.
Kompozyty ziarniste – składają się z ciągłej matrycy, w której umieszczone są izolowane elementy drugiej fazy. Cząstki fazy zdyspergowanej modyfikują właściwości matrycy. (węgliki spiekane WC- Co otrzymywane drogą spiekania)
Włókniste – do matrycy wprowadza się włókna drugiej fazy, przeważnie o wyższej sztywności i wytrzymałości niż matryca.
Laminaty – fazy wchodzące w skład kompozytu występują w postaci dwóch lub wielu warstw łączonych ze sobą w sposób trwały.
Czynniki wpływające na właściwości kompozytów:
własności osnowy, fazy wzmacniającej
ilość włókien
wielkość cząstek, długość i orientacja włókien
Doskonałość powiązania osnowy i fazy wzmacniającej
10. Podaj podział kompozytów ze względu na rodzaj składników wzmacniających
Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe (grafitowe), aramidowe (Kevlar), boru, cząstki węglika krzemu SiC, tlenku aluminium Al2O3, tlenku cyrkonu ZrO2
Faza wzmacniająca może mieć postać:
nanocząstek
ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. SAP: spiekany proszek Al. wzmocniony 14% Al2O3 — części obudowy aparatu fotograficznego)
ciętych włókien krótkich o długości rzędu milimetra (np. poliamid wzmocniony włóknem szklanym- koła zębate w robocie kuchennym)
ciętych włókien długich (od kilku do kilkunastu cm) — maty z włókien szklanych
w osnowie poliestrowej do laminowania łodzi
włókien ciągłych (jednokierunkowych lub tkanych w dwóch kierunkach, np. zbiornik cysterny z włókien szklanych w osnowie poliestrowej nawijanych na rdzeniu.