PYTANIA NA PIERWSZE KOLOKWIUM Z MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH (GRUPY 1.11 – 1.14)

Przykładowe odpowiedzi są napisane głównie swoimi słowami.

1. Czym charakteryzują się materiały metaliczne?

• Między atomami jest wiązanie metaliczne

• Krystalizują w sieciach

• Oddają elektrony

• Mają stan stały w temperaturze pokojowej

• Dobrze przewodzą ciepło i prąd

• Ich opór rośnie wraz ze wzrostem temperatury

• Maja dobrą wytrzymałość

1. Co to są kompozyty?

Odp.: Jest to połączenie 2 rożnych materiałów, które mają razem inne właściwości niż każdy z osobna. Składają się z matrycy oraz wzmocnienia (wzmocnieniem mogą być cząstki lub włókna). Innymi słowy: budowa jak ciastko z rodzynkami (rodzynki=wzmocnienie).

1. Wymień rodzaje wiązań pierwotnych między atomami.

Odp.: jonowe, kowalencyjne, metaliczne

1. Wymień rodzaje wiązań wtórnych miedzy atomami.

Odp.: wodorowe oraz Van der Vaalsa

1. Na czym polegają wiązania jonowe?

Odp.: Na elektrostatycznym przyciąganiu między jonami dodatnimi i ujemnymi. Są trwałe, twarde i topnieją w dużej temperaturze. Są odporne na dużą temperaturę i są ogólnie bardzo wytrzymałe.

1. Na czym polegają wiązania kowalencyjne?

Odp.: Na uwspólnieniu par elektronów przez 2 lub więcej atomów. Są silne i wytrzymałe i mają wysoką temperaturę topnienia.

1. Na czym polegają wiązania wtórne?

Odp.: Na dipolowym przyciąganiu atomów. Są bardzo słabe. Ogólnie chodzi o to, że jakiś pierwszy lepszy dipol indukuje drugą cząstkę, która jest też dipolem i tak się razem przyciągają.

1. Na czym polegają wiązania metaliczne?

Odp.: Na połączeniu dodatnich rdzeni atomowych chmurą swobodnych elektronów. Ta chmura nazywa się Gaz Elektronowy Fermiego. Są bezkierunkowe (jako jedyne z tych wymienionych wiązań). Są bardzo, bardzo silne. „Zajebiście przewodzą prąd”.

1. W jakich typach sieci krystalizują metale? Wymień ich nazwy i narysuj uproszczone modele.

Odp.: regularnie ściennie centrowana, regularnie przestrzennie centrowana, heksagonalna

[Rysunki każdy powinien umieć, było to samo też na chemii]

1. Co to jest anizotropia?

Odp.: Jest to zróżnicowanie badanej cechy w zależności od kierunku badania. Monokryształy (takie pojedyncze kryształki), które są anizotropowe tworzą polikryształ(zlepek monokryształów), który w całości jest izotropowy (bo jest wymieszane to wszystko, więc uśrednione bardzo mocno)

1. Co to jest polimorfizm, przemiana anotropowa i kiedy ona zachodzi?

Odp.: Polimorfizm to zdolność materiału do występowania w różnych typach sieci. Przemiana anotropowa to właśnie takie zmienienie typu sieci. Nie zachodzi ona sama, bo „same” zachodzą tylko te przemiany, które zmniejszają energię – a w tym przypadku niekoniecznie się ona zmniejsza. Żeby zaszła ta przemiana, to trzeba dostarczyć właśnie tej energii, w tym przypadku jest to energia cieplna. Czyli w skrócie: jak grzejemy i grzejemy to metal może zmienić typ sieci.

1. Wymień rodzaje defektów struktur krystalograficznych.

Odp.: punktowe, liniowe, powierzchniowe, objętościowe

1. Wymień i opisz rodzaje defektów punktowych.

Odp.: a) wakanse (miał gdzieś być atom, jest tam dla niego przyszykowane miejsce. Ale atomu brak.)

b) atomy międzywęzłowe (cos siedzi na gapę pomiędzy siecią. Taki nieproszony gość)

c) atomy obce ( podmieniają one te normalne, co powinny tam być)

1. Na czym polega defekt Frenkla?

Odp.: Polega na przeskoczeniu atomu z pozycji węzłowej do międzywęzłowej. Tworzy to wakans i atom międzywęzłowy za jednym zamachem.

1. Na czym polega defekt Shottk’ego?

Odp.: Atom ucieka z tej sieci, w której był i już nie wraca. Pozostaje pusta luka (wakans)

1. Co to jest wektor Burgersa?

Odp.: Opisuje on zaburzenia w materiale. Możemy określić kierunek i zwrot dyslokacji. Jest on prostopadły do linii dyslokacji liniowej i równoległy do krawędziowej. Dyslokacja ujemna, czyli ta co wchodzi od dołu ma znak „T” [takie większe troszkę niż normalne litery]. Dyslokacja dodatnia, czyli ta co wchodzi od góry ma znak taki, jak odwrócone T [taki sam znak jak w matmie ten znak, że coś jest prostopadłe do czegoś]

1. Napisz równanie Halla-Petcha i opisz znaczenie poszczególnych znaków.

$$Re = A + \ \frac{k}{\sqrt{d}}$$

Re – Granica plastyczności; A,k – stałe materiałowe; d – średnica ziarna

1. Co to są martenzyty i jak powstają?

Odp.: Jest to taki sztucznie napakowany wytwór. Najpierw podgrzewamy, przez co cząsteczki stają się bardziej luźne i możemy napchać tam jeszcze dodatkowo więcej cząstek, niż by weszło normalnie. Potem chłodzimy bardzo szybko i substancja się kurczy bardzo szybko. Tak się szybko kurczy, że nie ma czasu pomyśleć o tym, że ma jakieś dodatkowe atomy w sobie i kurczy się razem z nimi w środku (ściska je tam wewnątrz).Tak powstaje martenzyt, czyli coś mega upakowanego podstępnym sposobem. Jest on niestabilny.

1. Co się dzieje na granicy ziarn? Wymień co najmniej 3 zjawiska.

• Występują zaburzenia

• Występuje większa energia

• Granice ziarn bardzo się różnią od osobnych ziaren

• Granica ziarn blokuje rozprzestrzenianie się dyslokacji

1. Ile ziarn zawsze ze sobą graniczy i jakie są kąty między nimi?

Odp.: 3 ziarna (3x120 stopni). Wtedy jest najmniejsza energia.

1. Czym różni się domieszka od dodatku stopowego?

Odp.: Dodatek stopowy wprowadzamy celowo, domieszka to niechciany element

1. Czym różni się metal umocniony (z historią obciążenia) od materiału bez historii obciążenia?

Odp.: Ma większe właściwości wytrzymałościowe, a mniejsze właściwości plastyczne

1. Wymień rodzaje defektów liniowych.

Odp.: liniowe, śrubowe, mieszane

1. Kiedy tworzą się roztwory ciągłe?

Odp.: Gdy dwa pierwiastki tworzą ten sam typ sieci i mają podobną wielkość.

1. Co to jest roztwór stały? Wymień jego rodzaje.

Odp.: Roztwór w którym metal rozpuszczany zastępuje rozpuszczalnik. Struktura rozpuszczalnika zostaje wiążąca dla danego stopu. Różne atomy mają maja różne średnice, wiec właściwości zależą właśnie od tej średnicy. Następuje rozepchnięcie lub zawężenie sieci.

Roztwory stałe: różno węzłowy ( po prawej) i międzywęzłowy (po lewej)

Międzywęzłowy tworzy się TYLKO WTEDY, gdy atomy metalu

rozpuszczanego są bardzo, bardzo małe.

1. Jaki jest wpływ szybkości chłodzenia na zarodki?

Odp.: Im szybciej chłodzimy, tym powstają mniejsze zarodki.

1. Czym różni się krystalizacja homogeniczna od heterogenicznej? Która z nich zachodzi szybciej i dlaczego?

Odp.: Homogeniczna, to po prostu rozrastanie się zarodków, tworzy się spontanicznie. Heterogeniczna zachodzi jak zarodki „są na obcym terenie”, czyli na przykład są w jakimś naczyniu wlane. Heterogeniczna zachodzi szybciej, bo promień czaszy zarodka na obcej powierzchni jest większy niż zarodka swobodnego. [Można narysować kulę i półkulę o takiej samej objętości. Widać od razu, że promień półkuli jest większy]

1. Co wpływa na zmniejszenie się dyslokacji?

• Granice ziaren

• Obce atomy

• Druga dyslokacja tego samego kierunku, ale przeciwnego zwrotu

1. Jak wpływa jedna dyslokacja na drugą?

Odp.: Dodają się lub anihilują w zależności od kierunku i zwrotu każdej z nich. Jak w matematyce: -1+1=0, z kolei -1-1=-2

1. Na czym polega proces zdrowienia?

Odp.: Wysoka temperatura aktywuje przemieszczanie się defektów punktowych. Później następuje przegrupowanie dyslokacji i anihilacja (dodatnie z ujemnymi się anihilują). Przegrupowanie następuje tam gdzie jest najwięcej defektów. Zostaje później część materiału bez defektów, a część z wieloma defektami. Jest to proces przygotowawczy do rekrystalizacji.

1. Na czym polega proces poligonizacji?

Odp.: Dyslokacje krawędziowe się przemieszczają. Tworzą się wąsko kątowe granice podziaren. Obniża to energię, bo się wszystko uporządkowuje.

1. Na czym polega proces zrastania?

Odp.: Zrastają się granice podziaren, te o małym kacie. Jeszcze bardziej obniża to energię.

1. Na czym polega proces rekrystalizacji?

Odp.: Zarodkują nowe ziarna, później się rozrastają aż wypełnią całą objętość. Zdrowe ziarna „zjadają” te chore ziarna z defektami. Rozrastają się dalej bez defektów.

1. Od czego zależy temperatura rekrystalizacji? Wymień przynajmniej 4 parametry.

Odp.: Jest tym niższa im:

• Większy zgniot

• Materiał ma więcej energii zmagazynowanej

• Czystszy materiał

• Mniejsza szybkość odkształcenia

• Mniejsze ziarno wyjściowe (!!!)

• Mniejsza szybkość nagrzewania po zgniocie

1. Napisz wzór na zależność Boczwara i opisz znajdujące się w nim znaki. Jaki wniosek wynika z tego równania?

Odp.: Tr =  α * Tm

Tr – temperatura rekrystalizacji

α – współczynnik czystości materiału (wacha się pomiędzy 0,1 a 0,8)

Tm – temperatura topnienia

Wniosek: Temperatura rekrystalizacji jest zawsze mniejsza od temperatury topnienia (ponieważ α jest mniejsze od 1)

1. Jaka temperatura jest najlepsza dla rekrystalizacji i dlaczego?

Odp.: Najlepsza jest temperatura równa lub niewiele większa od temperatury rekrystalizacji. Czym większa temperatura rekrystalizacji tym powstają większe ziarna. Nam zależy na jak najmniejszych ziarnach, więc przeprowadzanie rekrystalizacji w temperaturze bliskiej temperaturze topnienia nie jest dobrym pomysłem, bo wtedy duże ziarna powstaną.

1. Co to jest zgniot krytyczny?

Odp.: Zgniot krytyczny to takie minimalne odkształcenie plastyczne materiału, które na skutek temp.rekrystalizacji umożliwi rozpoczęcie procesu rekrystalizacji.

1. Jaki jest wpływ zgniotu na średnicę ziarna w polu rekrystalizacji?

Odp.: Poniżej zgniotu krytycznego średnica rośnie wraz ze wzrostem zgniotu. Powyżej zgniotu krytycznego średnica maleje wraz ze wzrostem zgniotu.

1. Co to jest rekrystalizacja wtórna?

Odp.: Większe ziarna wchłaniają mniejsze . Jest to szkodliwe. Proces ten jest niekontrolowany. Zachodzi po rekrystalizacji pierwotnej jeśli dalej grzejemy materiał za długo niż powinniśmy. Struktura, która po tym powstaje jest silnie zróżnicowana ( a takich struktur nie chcemy).

1. Jak zmienia się energia wewnętrzna materiału w procesach zdrowienia i rekrystalizacji (pierwotnej i wtórnej)?

Odp.: Zdrowienie – gwałtownie się zmniejsza

Rekryst. Pierwotna – mało się zmniejsza

Rekryst. Wtórna – jeszcze mniej się zmniejsza, żeby później zostać na tym samym, mega niskim poziomie.

1. Jak zmieniają się właściwości mechaniczne (wytrzymałość) materiału w procesach zdrowienia i rekrystalizacji (pierwotnej i wtórnej)?

2. Jak zmieniają się właściwości plastyczne materiału w procesach zdrowienia i rekrystalizacji (pierwotnej i wtórnej)?

Odpowiedź do zad 41 i 42 znajduje się w tym wykresie. Krzywe właściwości plastycznych i wytrzymałości są swoimi lustrzanymi odbiciami.

Zdrowienie: wytrzymałość bardzo mało maleje, plastyczność bardzo mało rośnie

Rekryst.pierwotna: wytrzymałość gwałtownie maleje, plastyczność gwałtownie rośnie

Rekryst.wtórna: wytrzymałość bardzo mało maleje, plastyczność bardzo mało rośnie

1. Wymień dwie główne próby wytrzymałościowe materiałów i co najmniej dwie pozostałe.

Główne:

• Statyczna próba rozciągania

• Statyczna próba ściskania

Pozostałe:

• Statyczna próba ścinania

• Próby udarności

• Próby twardości

• Badania w zakresie mechaniki pękania

• Badania zmęczeniowe

• Badania w komorach środowiskowych

1. Jakie parametry wyznaczamy podczas próby rozciągania?

Trzeba wymienić:

• Wytrzymałość na rozciąganie[Rm] wyrażane w MPa

• Granica plastyczności[Re] wyrażane w MPa

• Moduł Younga [E] wyrażane w MPa

Dobrze by było jakby się jeszcze dodało:

• Wydłużenie [∆l] wyrażane w cm

• Wydłużenie procentowe (odkształcenie) [ε] wyrażane w %

• Przewężenie [z] wyrażane w %

1. Co to jest moduł Younga? Napisz wzór i krótko wyjaśnij.

Odp.: E= σ /ε

Definicja z Wikipedii: wielkość określająca sprężystość materiału. Wyraża ona, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.

1. Co to są odkształcenia sprężyste?

Odp: (z głowy) Jest to taki zakres odkształceń w których materiał wraca z powrotem do pierwotnego stanu. Nie odkształca się na stałe, tylko chwilowo, na czas przykładania do niego siły. Występuje tylko, gdy siła działająca na materiał jest względnie mała.

1. Co to są odkształcenia plastyczne? Wymień i opisz 2 rodzaje.

Odp: Jest to taki zakres odkształceń, w którym materiał nie wraca już do takiego stanu w jakim był poprzednio. Odkształca się na stałe.

Rodzaje odkształceń plastycznych:

POŚLIZG - Jest to przemieszczenie się jednej części kryształu względem drugiej (występuje tam, gdzie jest największe „upakowanie”)

BLIŹNIAKOWANIE - Jest to nagły proces poślizgu zachodzący w niewielkim obszarze struktury, ściśle ograniczonym przez granice bliźniacze.

1. Dlaczego podczas kwazistatycznej próby rozciągania po upływie czasu stosunek siły do odkształcenia się zmniejsza?

Odp.: Ponieważ w materiale tworzy się przewężenie (tzw.szyjka), która ma mniejszą średnicę. A więc potrzeba mniejszej siły do odkształcenia takiej chudszej szyjki.

1. Jakie parametry charakteryzują komórkę elementarną?

• Liczba koordynacyjna – liczba najbliższych równo oddalonych od dowolnego węzła rdzeni atomowych

• Współczynnik wypełnienia (objętość atomów/objętość komórki)

• Liczba atomów na komórkę (czyli gęstość atomów)

1. Jaki jest związek między wzrostem energii, a wielkością zarodka?

Odp: W miarę wzrostu wielkości zarodka energia wzrasta, osiągając wartość maksymalną dla zarodka o krytycznym promieniu r* po czym dalszy wzrost wielkości zarodka prowadzi do obniżenia energii. (energia najpierw rośnie, bo się wszystko uporządkowuje, a późnij maleje na skutek uporządkowania). Przebiegać mogą tylko te procesy, które są związane z obniżeniem energii, więc tylko zarodki o promieniu większym lub równym r* tworzą trwałe kryształy.