PODSTAWOWE

1.Dlaczego metale i stopy o sieci regularnie ściennie centrowanej(RSC)są bardziej plastyczne niż te o sieci heksagonalnej zwartej(HZ)?

Metale o sieci RSC są bardziej plastyczne niż metale o sieci HZ, ponieważ mają one więcej systemów poślizgów ( RSC ma ich aż 12, natomiast HZ tylko 2) dlatego dyslokacjom, będącym nośnikiem odkształceń plastycznych, łatwiej się w niej poruszać

2.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 kształtowania metodą odlewniczą bardziej nadaje się sieć HZ ze względu na ilość systemów poślizgu – 2, a do obróbki plastycznej sieć RSC z ilością 12 systemów poślizgu

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

Defekty sieci krystalicznej dzielą się na:

• liniowe

- punktowe

• objętościowe

• płaskie

Za odkształcenie plastyczne odpowiedzialne są defekty liniowe.

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

Stywnośc materiałów jest to odporność materiału na zmiane kształtu w obszarze odkształceń sprężystych, czyli takich które nie ustępują po usunięciu obciążenia. Miarą sztywności jest moduł spreżystości w GPa. Stal jest bardziej sprężysta ponieważ ma wyższy moduł Young’a.

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

Nie możemy tego zrobić, ponieważ moduł spręzystości należy do stałych materiałowych. Moduł sprężystości jest funkcją struktury na którą nie mamy wpływu.

6. Na czym polega ogólna zasada umacniania materiałów metalowych ?

Ogólna zasada umacniania materiałow metalowych polega na blokowaniu ruchów dyslokacji.

7. Która z identycznych próbek wykonanych z tego samego metalu (np. Al) A – o wielkości ziarna 10mikrom czy B – o wielkości ziarna 1 mm będzie wykazywać większe własności wytrzymałościowe?

Im wielkość ziarna jest mniejsza, tym granice ziaren występują w większej ilości. Granice ziaren są naturalną blokadą dla ruchu dyslokacji, a im mniej ruchów dyslokacji występuje, tym materiał jest twardszy. Dlatego tez większe własności wytrzymałościowe będzie wykazywać próbka A, o mniejszej wielkości ziarna.(10µm=0,01mm)

8. Co to jest roztwór stały międzywęzłowy, a co różnowęzłowy ?

Roztwór stały międzywęzłowy – jest to roztwór w którym atomy rozpuszczone zajmują przestrzenie pomiędzy atomami węzłowymi

Roztwór stały różnowęzłowy – jest to roztwór stały w którym atomy rozpuszczone lokują się w węzłach rozpuszczalnika.

9. Dany jest metal o temperaturze topnienia 327C. Czy można umocnić go przez zgniot na zimno ? Uzasadnij odpowiedź.

T = 600K (t+273K)

Trek.= (0,2-0,3) T

Trek. = 600K x 0,3 = 180 K = -93C

Nie można, ponieważ zgniot musiałby być wykonywany w temp. ujemnej co po powrocie do temp. pokojowej będzie prowadziło do rekrystalizacji i usunięcia defektów zgniotu.

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

Podczas ogrzewania zachodzi rekrystalizacja

I etam zdrowienie - gęstość dyslokacji pozostaje wysoka, spada naprężenie

II etap rekrystalizacja – spada wytrzymałość, powstają nowe ziarna,

III etap wzrost ziaren – ziarna rosną, wytrzymałość bez zmian

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

Ponieważ pierwiastki stopowe hamują dyslokację. Im mniej dyslokacji tym metal jest mniej podatny na odkształcenia. Trzeba bardziej podgrzać, aby stop miał słabsze wiązania. Pierwiastki stopowe także przesuwają krzywe „C”.

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

Łatwo zauważyć, że twardość musi być związana z plastycznością, ponieważ aby zbadać twardość stali musimy odkształcić ją plastycznie(ślad odcisku wgłębnika), a w dodatku twardość badamy punktowo i nie możemy do końca stwierdzić jaka jest granica plastyczności. Twardość nie jest stałą materiałową.

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

Jest to materiał A ponieważ jego sieć jest bardziej podatna na odkształcenie plastyczne ze względu na większą ilość płaszczyzn poślizgu (RSC-12, HZ-2)

14. Co to jest zmęczenie materiału i czym charakteryzuje się powierzchnia przełomu zmęczeniowego w skali mikro – i makroskopowej ?

Zmęczenie jest utratą zdolności do przenoszenia obciążeń w skutek działania obciążeń cyklicznych. W przełomie możemy wyróżnić w skali makro dwa obszary: gładki i ziarnisty.

Pierwszy obszar to koncentryczne linie (prążki zmęczeniowe) mające centrum w miejscu przełomu (ognisko zmęczeniowe).

Drugi obszar to końcowe oderwanie materiału.

Jeśli chodzi o mikrostrukturę to możemy zobaczyć także owe prążki zmęczeniowe lecz w wyraźnym odkształceniem oraz odstępy między nimi które są postępem w jednym cyklu obciążenia.

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

Próbka gładka, ponieważ w próbce chropowatej występują chropowatości, które są koncentratorami naprężeń.

16. Co rozumiesz przez temperaturę przejścia w stan kruchu – próg kruchości w tworzywach metalowych o sieci RPC ? Czy z punktu widzenia eksploatacji wykonanego zeń elementu zmieniającej się od – 40C do +50C byłoby lepiej gdy będzie ona wyższa niż niższa ?

Próg kruchości jest temp poniżej której następuje wyraźnie zmniejszenie udarności. W RPC obserwuje się skokową zmianę skłonności do kruchego pękania. Lepiej żeby temp była niższa czyli bliższa temp -40°C. Materiał staje się bardziej kruchy im jest niższa temp więc lepiej żeby materiał pracował w temp powyżej progu kruchości.

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

Celem wyżarzania jest uzyskanie mikrostruktury możliwe jak najbliższej stanowi równowagi fazowej. Termin oznacza że wyżarzanie może zmieniać strukturę fazową lub nie w zależności od temperatury wyżarzania.

Z przemianą fazową (powyżej temp 723°C) aby zmienić strukturę np. perlityzowanie

Bez przemiany fazowej (poniżej 723°C) aby nie zmieniać struktury a tylko wrócić do stanu równowagi fazowej np. rekrystalizacja.

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

Proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku. Większą dyfuzję będzie wykazywać próbka A ponieważ granic ziaren jest dużo a to właśnie one są drogą dyfuzji.

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

Większą dyfuzyjność będzie wykazywać próbka A ponieważ ma mniejsze ziarna, przez co większa liczbę granic ziaren z kolei one są droga dyfuzji.

20. Co to jest dyfuzja ? Które z dwóch próbek, które były wyżarzone w piecu w wysokiej temp.: A – szybko schłodzona w wodzie, czy B – chłodzona wolno wraz z piecem, będzie miała większą dyfuzyjność i dlaczego ?

Większą dyfuzyjność będzie miała próbka A, ze względu na większą ilość wakansów, czyli defektów punktowych. Podczas nagrzewania tworzą się defekty punktowe, a podczas szybkiego schładzania nie wszystkie atomy zdążą wrócić na swoje miejsce, co powoduje większą dyfuzyjność.

21. Dane są trzy metale: A o sieci RSC i promieniu atomowym r_a=0,125nm, B o sieci RPC i promieniu atomowym r_b 0,128nm oraz C o sieci RSC i promieniu atomowym r_c = 0,145nm. Czy którakolwiek para rokuje nadzieję na utworzenie roztworu stałego ciągłego ? Uzasadnij odpowiedź.

Aby uzyskać roztwór stały ciągły należy spełnić 2 warunki

• ­identyczna struktura składników stopowych

• różnica wielkości atomów nie może przekroczyć 15% (Δr/r)

Na utworzenie roztworu stałego ciągłego rokuje para A i C ponieważ mają te same sieci-RSC, i właściwą różnice promieni: ΔR=(145-125)/145=13,8%<15%.

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

*w obszarze roztworu stałego rozpuszczalność musi maleć wraz ze spadkiem temperatury aby było można otrzymać przesycony roztwór stały

*wydzielenia powstające podczas rozpadu przesyconego roztworu stałego powinny być częściowo lub całkowicie sprzężone z osnową

23. Co jest warunkiem umacniania przez roztwór?

*przez roztwór umacniamy tylko stopy

*musi tworzyć się roztwór stały

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

O tym czy materiał jest mniej czy bardziej odporny na katastroficzne niszczenie np. przy chwilowym przeciążeniu konstrukcji decyduje zdolność do relaksacji koncentracji tj. spiętrzania naprężenia u wierzchołka pęknięcia. Wynika stąd, że materiały zdolne do odkształceń plastycznych np. miękkie metale, są bardziej odporne na kruche pękanie w przeciwieństwie do materiałów kruchych takich jak np. ceramika. Metale i ich stopy mają wiązania metaliczne, natomiast ceramika jonowe.

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

Odkształcenie w skutek działania długotrwałych, stałych obciążeń w wysokich temperaturach.

26. Na czym polega umacnianie metali przez rozdrabnianie mikrostruktury (przez granicę ziaren).

Polega na rozdrobnieniu ziaren materiału, które blokują dyslokacje. Dyslokacja przechodząc przez ziarno napotyka na granicę ziarna która ją blokuje. Przejście do drugiego ziarna będzie następowało w określonej kolejności (pierwszeństwo mają dyslokacje o mniejszym naprężeniu stycznym). Dlatego też w czasie odkształcenia próbka nie odkształca się tak samo na całej objętości, lecz selektywnie.

METALE

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

To znaczy że metale przekraczając granicę plastyczności nie ulegają od razu zniszczeniu tylko dalej odkształcają się plastycznie do granicy wytrzymałości.

2. Co rozumiesz przez umocnienie metali i stopów ?

Zwiększenie własności wytrzymałościowych (granicy plastyczności, wytrzymałości i twardości).

7. Co to jest obróbka cieplna metali i stopów ? Podaj ich klasyfikację.

Jest to zabieg technologiczny polegający na nagrzaniu obrabianego materiały do danej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze, a następnie schłodzeniu z określoną szybkością. Klasyfikacja:

*wyżarzanie: (rekrystalizacja)

-bez przemiany fazowej

-z przemianą fazową

*ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie)

*utwardzanie (przesycanie i starzenie)

9. Co to i 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 ?

Dyfuzyjne nasycenie węglem stali niskostopowych w celu zwiększenia twardości, odporności na ścieranie, a nawet korozję ale tylko na powierzchni.

Te stale stosuje się dlatego, że węgiel atomowy może wnikać tylko wtedy w powierzchnię przedmiotu obrabianego, gdy potencjał węglowy ośrodka nawęglającego jest wyższy od stężenia węgla w danym gatunku stali.

Po nawęglaniu trzeba metal zahartować żeby zabezpieczyć nawęgloną warstwę.

10. Dlaczego do azotowania stosuje się stale średniowęglowe po ulepszeniu cieplnym ? Jaka jest temperatura azotowania ?

Po ulepszeniu cieplnym otrzymamy sztywny rdzeń który zabezpieczy warstwę azotowaną przed odłuszczaniem. Nie można więc azotować niskowęglowych stali gdyż cienka warstwa azotowana się odłuszczy. Temperatura azotowania 500-700°C lecz temp odpuszczania przed azotowaniem powinna być 30°C wyższa od azotowania.

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

Ulepszaniem cieplnym jest hartowanie wraz z średnim (300-500C) lub wysokim (500-700C) odpuszczaniem. Prowadzi do wzrostu wytrzymałości na rozciąganie, wzrostu właściwości plastycznych i spadku twardości.

Utwardzaniem cieplnym jest hartowanie wraz z niskim (150-200C) odpuszczaniem. Prowadzi to do wzrostu twardości przy jednoczesnym usunięciu naprężeń powstałych podczas hartowania.

12. Opisz krótko jak zmienia się mikrostruktura i własności zahartowanej stali poprzez jej nagrzewanie ? Jak nazywamy obróbkę cieplną obejmująca hartowanie i średni lub wysokie odpuszczanie ?

Na początku odpuszczanie (80-200C) z martenzytu wydzielają się płytki węglika epsilon. Tworzenie węglika odbywa się kosztem zmniejszenia przesycenia martenzytu. Dzięki temu jest możliwość utworzenia martenzytu z austenitu szczątkowego. Następnie martenzyt przekształca się w martenzyt regularny. W kolejnym etapie wydziela się cementyt, a węglik epsilon zmienia się w Fe3C. W ostatnim stadium cementyt przybiera postać sferoidalną.

Jest to Ulepszanie.

13. Na czym polega różnica pomiędzy hartowaniem a przesycaniem ?

Podczas hartowania następuje przebudowa sieci. W procesie przesycania takowa przebudowa nie zachodzi.

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

Stal jest obrobionym plastycznie i cieplnie stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami o zawartości węgla poniżej 2%. Wraz ze wzrostem zawartości węgla gwałtownie maleje plastyczność przy równoczesnym wzroście twardości, wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności. Dwie ostatnie mają maksimum w ok 1% zawartości węgla. Im szybciej chłodzimy tym więcej wytworzy się martenzytu czyli zwiększy się twardość.

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

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

Utwardzalność-podatność stali do hartowania, wyrażona najwyższą twardością jaką można osiągnąć w wyniku hartowania

Próbka A będzie miała większa utwardzalność ze względu na większa zawartość węgla, a przehartowalność próbka B, ze względu na obecność pierwiastków stopowych.

17. Jaką główną rolę pełnią mikrododatki w stali umacnianej metodą obróbki termoplastycznej ?

*przeciwdziałają rozrostowi ziaren podczas obróbki plastycznej powyżej temp rekrystalizacji

*umacnia stal wydzielinowo tworząc węgliki, azotki, węglikoazotki

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

Są to stopy odlewnicze aluminium z dodatkiem krzemu i innymi pierwiastkami. Odporne na korozję, o dobrej lejnośći, małym skurczu i małą skłonnością do pękania.

Modyfikacja jest zabiegiem, którego skutki są większe niż wynikałoby to ze zmiany stanu technicznego. Modyfikację siluminów pod- i okołoeutektycznych stosuje się w celu poprawienia własności plastycznych – rozdrobnienie krzemu eutektycznego (za pomocą sodu lub strontu).

19. Co to są siluminy ? Co to jest modyfikacja i jaki jest cel modyfikacji siluminów nadeutektycznych ?

Celem modyfikacji siluminów nadeutektycznych jest zmiana kształtu wydzieleń krzemu (za pomocą fosforu).

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

Żeliwo jest odlewniczym stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami, gdzie zawartość węgla przekracza 2%. Krzepnie z przemianą eutektyczną.

Podział żeliw:

*szare (zwykłe, sferoidalne, modyfikowane, wernikularne)

*białe

*stopowe

Mikrostrukturę i własności żeliw charakteryzuje wielkość i rozmieszczenie grafitu, który ma wpływ na kruchość i plastyczność oraz rodzaj osnowy metalicznej. Przy większym udziale fazy ferrytycznej występuje większa plastyczność, a przy większym udziale perlity i jego dyspersji – większe właściwości wytrzymałościowe.

21. Co to jest żeliwo ciągliwe ? Jaka jest różnica miedzy obróbką cieplną prowadzącą do otrzymania żeliwa ciągliwego czarnego o osnowie ferrytycznej oraz tę stosowaną do otrzymania żeliwa ciągliwego czarnego o osnowie perlitycznej ?

Żeliwo ciągliwe jest to żeliwo białe po wyżarzaniu, które uległo uplastycznieniu. Różnica w obróbce polega na temp wyżarzania. Do otrzymania żeliwa czarnego o osnowie perlitycznej potrzebne jest dłuższe wyżarzanie.

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

Brązy są stopami miedzi z pierwiastkami innymi niż nikiel i cynk. Klasycznymi brązami są stopy miedzi z cyną o zawartości do 20%.

Mosiądze to stopy miedzi z cynkiem (do 48%)

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

W żeliwie białym węgiel jest w postaci związanej jako cementyt, w szarym co najwyżej 0,8%C jest związane w postaci cementytu, reszta w postaci wolnej – grafitu. Żeliwo szare ma dobrą lejność, dobrą zdolność do tłumienia drgań i właściwości przeciw cieplne. Szare jest kruche z powodu grafitu, który w czasie odkształceń pęka.

CERAMIKA

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

Znaczy to, że przekraczając granicę plastyczności nie występuje odkształcenie, lecz materiał ulega od razu zniszczeniu.

2. Dlaczego ceramika nie nadaję się do kształtowania metodami obróbki plastycznej ?

Ponieważ ma specyficzną mikrostrukturę w której występują mikropęknięcia, które się powiększają w czasie odkształcenia plastycznego.

4. Co to jest moduł Weibull’a ? Naszkicuj przebieg prawdopodobieństwa przetrwania dla materiałów o module Weibull’a m1=x, m2=y. Wskaż odpowiednie wykresy na rysunku.

Moduł Weibull’a informuje o tym, jak szybko zmniejsza się wytrzymałość, przy naprężeniu SIGMA dążącym do SIGMA0. Im mniejsza wartość modułu, tym większy rozrzut wytrzymałości i tym mniejsze prawdopodobieństwo przetrwania obciążenia dla większości próbek.

(na wykresie powinno być 1/e, a nie samo e)

5. Dlaczego ceramika jest twarda, a dlaczego krucha ?

Ceramika jest twarda ze względu na silne wiązania między atomami, i trudno jest uruchomić w niej dyslokację. Krucha jest natomiast ze względu na specyficzną mikrostrukturę, gdzie mikropęknięcia są koncentratorami naprężeń.

6. Dlaczego ceramika jest predestynowana do pracy w warunkach ściskania ? Dlaczego wytrzymałość na rozciąganie wyznaczoną metodą jest 1,65 razy większa niż ta sama wielkość wyznaczona podczas rozciągania ?

Ponieważ przy ściskaniu mikropęknięcie zmniejszają się, a przy rozciąganiu powiększają co prowadzi do uszkodzenia materiału. Jest 1,65 raz większa, ponieważ w metodzie zginania z jednej strony próbki następuje rozciąganie, a z drugiej ściskanie.

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

-wysoka temperatura topnienia (praca w wys. temperaturach(+), ciężko przetopić (-)

-duża twardość (odporność na ścieranie (+), prawie niemożliwa do obróbki plastycznej(-)

-mały współczynnik rozszerzalności (zachowuje kształt w wysokich temperaturach (+), ciężko połączyć z metalami (-).

8. Jaką technologią kształtowania stosuje się w stosunku do materiałów ceramicznych ? Jaka jest mikrostruktura ceramiki ukształtowanej za pomocą tej technologii ?

W stosunku do kształtowania materiałów ceramicznych stosuje się technologię spiekania proszków. Po tej technologii ziarna rozrastają się(polikrystaliczna).

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

Kształtowaniu ceramiki podczas spiekania proszku ceramicznego sprzyja energia powierzchniowa (4,2J/g), która jest siłą napędową procesu spiekania.

10. Dane są dwa elementy z tej samej ceramiki, jeden o przekroju A1, drugo o przekroju A2=10xA1. 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 można tak założyć, gdyż wytrzymałość ceramiki zależy też od wielkości i ilości defektów i mikropęknięć, których jest więcej w przypadku większej próbki.

11. Od czego zależy wytrzymałość ceramiki ?

*temperatury

*środowiska

*wielkości i kształtu próbki

*stałości obciążenia

*stanu powierzchni

*grubości ziaren

12. Narysuj wykres zachowywania się ceramiki pod obciążeniem i zaznacz na nim wielkości charakterystyczne.