Pytaniaegzaminacyjne z Nauki o Materiałach

Zarządzanie i Inżynieria Produkcji – studia stacjonarne I stopnia

1. Podać ogólną charakterystykę materiałów metalicznych.

Metale posiadają:

- wysoką przewodność cieplna i ciepło właściwe,

- wysoką przewodność elektryczna malejąca ze wzrostem temperatury,

- nieprzeźroczystość i połysk metaliczny,

- odporność na obciążenia udarowe,

- podatność na odkształcenia plastyczne,

- wysoką podatność do krystalizacji w czasie krzepnięcia (stan amorficzny przy bardzo dużej szybkości chłodzenia).

W technice tworzywa metaliczne można podzielić na: metale techniczne (zawierają niewielką ilość domieszek pochodzących z procesów metalurgicznych, przy odpowiednich metodach rafinacji można otrzymać metale o dużej czystości);

stopy metali (połączenie metali z innymi pierwiastkami, skład dobiera się tak aby otrzymać tworzywo o wymaganych właściwościach)

1. Charakterystyka i podział materiałów ceramicznych.

Ceramika to złożone związki i roztwory stałe pierwiastków metalicznych i niemetalicznych połączone ze sobą wiązaniem jonowym lub kowalencyjnym.

Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych

•wysoka temperatura topnienia

•niski ciężar właściwy

•wysoka twardość

•wysoka wytrzymałość na ściskanie

•niska wytrzymałość na rozciąganie

•niska rozszerzalność cieplna

•mała przewodność cieplna

•dobra żaroodporność i żarowytrzymałość

•dobra odporność na korozję

•duża kruchość.

Ceramika dzieli się na:- tradycyjną (budowlana (oparta na glinie), szlachetna, szkło, cement, materiały ogniotrwałe); - zaawansowaną (inżynieryjna, bioceramika, funkcjonalna (dielektryki, nadprzewodniki, sensory)).

1. Charakterystyka i podział tworzyw sztucznych.

Polimery- są to materiały organiczne, zbudowane z węgla oraz wodoru.

Zbudowane są z grup atomów zwanych mono­merami, tworzących łańcuchy za pomocą wiązań kowalencyjnych.Polimerz punktu widzenia fizyki jest przechłodzoną cieczą tak jak szkło, tylko lepkość (odległość między cząstkami) nie pozwala im zachować się jak ciecz.

Właściwości polimerów:

• Duży stopień odkształcenia

• Bardzo dobre właściwości izolacyjne

• Niska wytrzymałość na rozciąganie

• Dobra przewodność cieplna i elektryczna

• Słabe własności mechaniczne

• Niska odporność termiczna

• Duża odporność korozyjna

Zastosowanie: budownictwo , przemysł elektrochemiczny, opakowania żywności i napojów, przemysł chemiczny, sport , zabawki, pojazdy, przemysł meblowy, rolnictwo.

Podział polimerów:

1.Ze względu na pochodzenie

a) naturalne ( skrobia, białko, kolageny, smoła, kauczuk)

b)syntetyczne

2.Ze względu na zachowanie podczas ogrzewania

a) polimery termoplastyczne

b)polimery termoutwardzalne

3.W zależności od kinetyki i mechanizmu reakcji otrzymywania

a)polimery addycyjne

b) polimery kondensacyjne

c) polimery modyfikowane chemicznie

4.Ze względu na własności użytkowe:

a) tworzywa konstrukcyjne

b)tworzywa adhezyjne (lakiery, farby)

5. Ze względu na własności sprężysto plastyczne

a)elastomery

b)plastomery

1. Materiały kompozytowe – podział, podstawowe właściwości

Kompozyt - jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób , że ma właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości. Kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym jednakże z widocznymi granicami między komponentami. MUSI BYĆ GRANICA ROZDZIAŁU

Kompozyt = osnowa + zbrojenie

Zadania osnowy:

• utrzymuje razem zbrojenie

• zapewnia wytrzymałość na ściskanie

• przenosi naprężenie zewnętrzne na zbrojenie,

• zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć,

• nadaje wyrobom żądany kształt.

Zadanie zbrojenia: wzmacnianie materiału, poprawianie jego właściwości mechanicznych.

Cel tworzenia kompozytów:

- sztywność

- wytrzymałość

- odporność na pękanie

- odporność na ścieranie

- obniżenie ciężaru

- obniżenie kosztów

- obniżenie modułu sprężystości np. pianki

- zmiana przewodności cieplnej

-zmiana współczynnika rozszerzalności cieplnej

1. Opisać podstawowe układy krystalograficzne.

Układ krystalograficzny	Parametry komórki sieciowej	Typ sieci przestrzennej	Symbol sieci przestrzennej
trójskośny	a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90̊	Prymitywna	P
jednoskośny	a ≠ b ≠ c α = γ = 90̊ ≠ β	Prymitywna Centrowana na podstawach	P C
rombowy	a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90̊	Prymitywna Przestrzennie centrowana Ściennie centrowana Centrowana na podstawach	P I F C
romboedryczny (trygonalny)	a = b = c α = β = γ ≠ 90̊	Prymitywna	P
heksagonalny	a = b ≠ c α = β = 90̊ γ = 120̊	Prymitywna	P
tetragonalny	a = b ≠ c α = β = γ = 90̊	Prymitywna Przestrzennie centrowana	P I
regularny	a = b = c α = β = γ = 90̊	Prymitywna Przestrzennie centrowana Ściennie centrowana	P I F

1. Rzeczywista struktura kryształów – przykłady defektów.

Ze względu na geometrię wyróżniamy:

- defekty punktowe (np. wakans)

- defekty liniowe (np. dyslokacja)

- defekty powierzchniowe (np. granice ziarn)

Do wad punktowych należą:

Wakanse, czyli wolne węzły w sieci krystalicznej

Atomy międzywęzłowe, zajmujące miejsca w lukach sieci

Liczba wad punktowych jest funkcją temp. a procesy związane ze wzrostem tych defektów nazywamy procesami aktywowanymi cieplnie. Wyróżniamy 2 mechanizmy tworzenia wad punktowych: - defekt Schottky’ego, - defekt Frenkla

Defekty liniowe:

- dyslokacje krawędziowe (wprowadzenie dodatkowej płaszczyzny atomowej)

- dyslokacje śrubowe (wzajemne przesunięcie płaszczyzn atomowych)

- dyslokacje mieszane

Rozróżnia się dwa podstawowe mechanizmy ruchu dyslokacji w krysztale:
- poślizg (ruch zachowawczy) dominuje w niskich temperaturach.
- wspinanie (ruch niezachowawczy) charakterystyczny dla wysokich temperatur.

Dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź ekstrapłaszczyzny, tj. półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu
o budowie prawidłowej. Wielkość dyslokacji i wywołane nią odkształcenie charakteryzuje wektor Burgersa. Wektor ten wyznacza się tworząc tzw. kontur Burgersa. Wykreślony w krysztale idealnym kontur Burgersa zamyka się tworząc równoległobok. Gdy w krysztale występuje dyslokacja, czworobok konturu Burgersa wykreślonego wokół linii dyslokacji nie zamyka się. Niezależnie od sposobu poprowadzenia konturu Burgersa jego niezamknięta część będzie taka sama i równa wektorowi Burgersa.

Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej. Wektor Burgersa dyslokacji śrubowej jest równoległy do jej linii. Wokół dyslokacji śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształcenie sieci krystalicznej. Dyslokacje śrubowe mogą być prawoskrętne lub lewoskrętne

Defekty powierzchniowe
Do defektów powierzchniowych zalicza się dwuwymiarowe defekty struktury krystalicznej jak: granice ziarn i błędy ułożenia
- Granica ziarn – jest wąską strefą materiału, w której atomy ułożone są w sposób nieuporządkowany, kompensując niedopasowanie struktury sąsiednich ziarn.
W zależności od wielkości kata dezorientacji rozróżnia się granice wąskokątowe i szerokokątowe ( charakteryzują się stosunkowo dużą energią).
- Błąd ułożenia powstaje w kryształach o sieci RSC w wyniku zakłócenia kolejności ułożenia warstw atomowych na płaszczyznach {1 1 1} opisanych sekwencją ABC ABCABC. Obecność błędów ułożenia możemy zaobserwować podczas badań na transmisyjnym mikroskopie elektronowym.

1. Scharakteryzować fazy w stopach metali.

Fazy w metalach:

1. Roztwory stałe

2. Fazy międzymetaliczne

3. Mieszaniny faz

Roztwór stały – jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej
o własnościach typowo metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze jest rozpuszczalnikiem, drugi składnik jest pierwiastkiem rozpuszczonym.

Roztwory stałe dzielimy na:

• podstawowe – rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu;

• wtórne – rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna;

Fazy międzymetaliczne – połączenia metali lub metali z niemetalami, wykazują własności metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego między atomami wchodzącymi w skład fazy.

Mieszaniny faz - stanem stopu, występującym bardzo często, jest mieszanina faz. O mieszaninie faz mówi się wtedy, gdy w stopie znajdują się, co najmniej dwie fazy w stanie rozdrobnienia, oddzielone od siebie granicami międzyfazowymi. Każda faza ma przy tym określone, właściwe sobie, skład chemiczny, strukturę krystaliczną i własności. Mieszaniny faz mają zwykle lepsze własności wytrzymałościowe i mniejszą plastyczność od poszczególnych faz.Mieszaniny faz występujące jako struktury w stopach metali mogą być typu:

• eutektycznego

• perytektycznego

1. Przemiany fazowe w stopach metali.

Przemiana fazowa- proces prowadzący do pojawienia się w układzie nowej fazy. Związana jest ze zmianami parametrów stanu (temp., ciśnienie, objętość, składniki chemiczne).

Przemiany fazowe polegają na zmianie stanu skupienia z ciekłego na stały lub odwrotnie- metoda analizy termicznej.

Do przemian fazowych należą procesy:

- prowadzące do zmiany stanu skupienia, np. parowanie i skraplanie, krystalizacja i topnienie, sublimacja i resublimacja

- zachodzące bez zmiany stanu skupienia, w fazie stałej lub ciekłej, np. przemiana alotropowa

W metalurgii duże znaczenie ma klasyfikacja związana z mechanizmem przemiany, według której wyodrębnia się grupy przemian

• dyfuzyjnych - których przebieg jest związany z transportem masy (na małe lub duże odległości), np. przemiana eutektoidalna, wydzielanie składników z przesyconych roztworów stałych

• bezdyfuzyjnych - nie wymagających transportu masy, np. przemiana martenzytyczna

• PRZEMIANA PERLITYCZNA-zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacz­nie poniżej temperatury A,t. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z pły­tek ferrytu i cementytu. Siłą napę­dową przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlltyczna jest prze­mianą dyfuzyjną, związaną z prze­grupowaniem atomów węgla i za­chodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednolitym austeni­cie — na granicach ziarn tej fazy.

• PRZEMIANA MARTENZYTYCZNA - przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austeni­tu — do ok. 200°C. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, tj. przesycony roztwór węgla w żelazie a . Przemiana martenzytyczna za­chodzi pod warunkiem ciągłego ob­niżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany M_s do temperatury M_fjej zakoń­czenia. Temperatury M_si M_f zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się wraz ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal do­datków stopowych z wyjątkiem Al i Co. Podczas przemiany martenzy­tycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów odziedziczo­nych z austenitu. Przemiana rozpo­czyna się od utworzenia w auste­nicie embrionów, tj. zarodków pier­wotnych, którymi mogą być błędy ułożenia, źródła Franka-Reeda, de­fekty sieciowe w austenicie, w tym pętle dyslokacji i równolegle ułożonę dyslokacje śrubowe. Zarodka­mi przemiany martenzytycznej są embriony, które przekroczą wiel­kość krytyczną. Z upływem czasu przemiany następuje autokataliza. Zjawisko to polega na przyspiesze­niu zarodkowania, gdyż tworzące się zarodki odkształcają otaczającą osnowę 4 sprzyjają tworzeniu się nowych zarodków. Przemiana mar-tenzytyczna zachodzi przez wielo­krotne niejednorodne ścinanie wsku­tek działania mechanizmu poślizgu lub bliźniakowania.

• PRZEMIANA BAINITYCZNA łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodze-niu stali do temperatury w zakresie ok. 450-200°C. W wyniku przemia­ny powstaje bainit, będący mieszani­ną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarod­kowanie bainitu rozpoczyna dyfu­zyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji, stanowią zarodki przemiany. Zróżnicowanie składu chemicz­nego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do za­inicjowania przemiany bainitycznej.

1. Mechanizmy odkształcenia plastycznego.

Niskie granice plastyczności są możliwe gdyż w czasie odkształcenia trwałego następuje zerwanie pojedynczych wiązań.

Materiały zawierających wysokie stężenia dyslokacji, w których ruch dyslokacji jest możliwy oraz występują dodatkowe źródła dyslokacji tj. w metalach posiadają właściwości plastyczne.

Odkształcenie plastyczne odbywa się poprzez poślizg w płaszczyźnie krystalograficznej lub też poprzez bliźniakowanie.

Poślizg odbywa się w płaszczyznach krystalograficznych – najgęściej obsadzonych atomami. Ponieważ poszczególne płaszczyzny krystalograficzne obsadzone są różną ilością atomów, w krysztale występuje niejednorodność własności mechanicznych, badana w różnych kierunkach. Niejednorodność tę nazywamy anizotropią. Anizotropia silnie uwidacznia się w monokryształach.

Bliźniakowanie – mechanizm ten polega na przemieszczeniu bloku sieci krystalicznej wokół płaszczyzny symetrii w położenie, w którym atomy przemieszczonego kryształu są lustrzanym odbiciem atomów w części nieodkształconej. Bliźniakowanie występuje w tych metalach, których sieć krystaliczna ma małą liczbę płaszczyzn łatwego poślizgu, np. w metalach o sieci heksagonalnej.

10. Opisać zjawiska podczas wyżarzania po odkształceniu na zimno.

Podczas wyżarzania materiału umocnionego zachodzą w nim kolejno następujące zjawiska:

- zdrowienie statyczne,

- rekrystalizacja statyczna

- rozrost ziaren – rekrystalizacja wtórna.

Zdrowienie statyczne- powoduje ono zmianę jego właściwości mechanicznych wywołaną zmniejszeniem gęstości dyslokacji oraz ich przegrupowaniem. Właściwości charakteryzujące opór plastyczny, takie jak: granica plastyczności, wytrzymałość, twardość- maleją, natomiast właściwości charakteryzujące plastyczność materiału, tzn. wydłużenie, przewężenie - wzrastają. Zjawisko to nosi nazwę

zdrowienia.

Rekrystalizacja statyczna- jest to proces tworzenia się zarodków ziaren o prawidłowej budowie, które tworzą nowe równoosiowe ziarna, kosztem ziaren odkształconych. Zrekrystalizowane ziarna można łatwo zidentyfikować ponieważ mają gładsze granice od ziaren odkształconych. Zarodki rekrystalizacji statycznej powstają w tych miejscach, gdzie spełnione jest następujący warunek: jest zmagazynowana duża ilość. Zarodki rekrystalizacji statycznej, po odkształceniu na zimno, są rozłożone dość równomiernie w zdeformowanej strukturze. Przy przedłużaniu czasu wyżarzania, bądź wyżarzaniu w wyższej temperaturze,

następuje dalszy rozrost jednych ziaren kosztem innych już zrekrystalizowanych, przez co liczba ich maleje, natomiast wielkość szybko rośnie. Ten proces rekrystalizacji nosi nazwę rekrystalizacji wtórnej. Ziarna powstałe w wyniku rekrystalizacji wtórnej w krótkim czasie osiągają duże wymiary, a w szczególnych przypadkach możliwe jest powstanie pojedynczych ziaren o wielkości do kilkuset mm2.

10. Odlewnicze stopy żelaza – żeliwa - podział, przykłady znakowania.

Staliwo to materiał konstrukcyjny stosowany do wyrobu części maszyn i urządzeń przemysłowych oraz użytkowych otrzymywanych w procesie zalewania formy ciekłą stalą. Zawartość C ≈ do max. 2%.

Własności staliw zależą głównie od stężenia węgla.

Staliwa dzielimy na:

• Staliwa węglowe:

  • Eutektoidalne, C ≈ 0,77%,

  • Podeutektoidalne, C ≈ poniżej 0,77%

  • Nadeutektoidalne, C ≈ powyżej 0,77%

• Staliwa stopowe.

Oznaczenie:

Znak gatunku staliwa składa się z litery L na początku znaku oraz liczby trzycyfrowej oznaczającej minimalną wytrzymałość na rozciąganie w stanie normalizowanym oraz cyfry rzymskiej podającej grupę staliwa, przy czym:

I – oznacza staliwo zwykłej jakości podlegającej odbiorowi na podstawie wytrzymałości na rozciąganie (Rm [MPa]) i wydłużenia (A [%]),

II – staliwo wysokiej jakości, podlegające odbiorowi na podstawie wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności (Re [MPa]), wydłużenia (A [%]) i składu chemicznego.

Np. LII400 – staliwo wysokiej jakości o minimalnej wytrzymałości 400 MPa.

1. Struktura:

Składnikami strukturalnymi występującymi w staliwie węglowym są;

1. Ferryt,

2. Perlit.

Zastosowanie:

Głównie w przemyśle samochodowym m.in. na: obudowy mechanizmów różnicowych, obudowy tylnych mostów, pedały hamulcowe i sprzęgła itp.

1. Staliwo stopowe

Staliwo stopowe to staliwo, do którego celowo są wprowadzane dodatki stopowe Mn, Si, Cr, Ni, W, Cu, Mo, Ti,V.

Podstawowymi składnikami strukturalnymi są ferryt i perlit.

1. Podział stali stopowych:

   1. Ze względu na zastosowanie:

      • Konstrukcyjne,

      • ogólnego przeznaczenia,

      • staliwa nisko- i średniostopowe odporne na ścieranie,

      • do pracy w podwyższonych temperaturach,

      • Żaroodporne i żarowytrzymałe, gł. dodatek – Cr,

      • Odporne na korozję, gł. dodatek – Cr, Ni lub Cr, Ni i Mn,

      • Narzędziowe,

   2. Ze względu na zawartość dodatków stopowych:

      • Niskostopowe, do 2,5% dodatków stopowych,

      • Średniostopowych, od 2,5-5% dodatków stopowych,

      • Wysokostopowych, powyżej 5% dodatków stopowych,

Żeliwo- stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi o składzie chemicznym zapewniającym krzepnięcie z przemianą eutektyczną, przeznaczony na odlewy. Zawiera od 2,11 do 4,3% węgla.

Żeliwa- podział ze względu na:

1. Skład chemiczny:

• żeliwo niestopowe

• żeliwo stopowe

1. postać występowania węgla:

• żeliwo szare gdzie węgiel występuje w postaci grafitu

• żeliwo białe gdzie węgiel występuje w postaci cementytu

• żeliwo połowiczne (pstre) gdzie węgiel występuje w postaci grafitu jak i cementytu

1. strukturę:

• ferrytyczne (wysoka wytrzymałość, duże twardości, wysoka odporność na ścieranie, wysoka skrawalność)

• ferrytyczno-perlityczne

• perlityczne

Oznaczanie żeliwa na podstawie symboli:

Oznaczenie na podstawie symboli powinno obejmować najwyżej sześć pozycji (niektóre z nich mogą zostać pominięte):

pozycja 1: EN

pozycja 2: Symbol dla żeliwa – GJ (G - oznacza materiał odlewany, J – oznacza żeliwo),

pozycja 3: Symbol dla postaci grafitu (L - grafit płatkowy, S – kulkowy, M – żarzenia, V – wermikularny, N – mikrostruktura nie zawierająca grafitu, ledeburyt, Y– mikrostruktura specjalna),

pozycja 4: Symbol dla mikrostruktury lub makrostruktury (A – austenit, F – ferryt, P –perlit, M – martenzyt, L – ledeburyt, Q – stan po hartowaniu, T – stan po hartowaniu i odpuszczaniu, B – przełom czarny, W przełom biały),

pozycja 5: Symbol dla klasyfikacji według właściwości mechanicznych (np. EN-GJLHB155) lub składu chemicznego (EN-GJL-XNiMn13-7),

pozycja 6: Symbol dla wymagań dodatkowych (H odlew po obróbce cieplnej itd.)

10. Stale konstrukcyjne – podział, przykłady znakowania.

Stale konstrukcyjne stopowe

Stosowane do wyrobu części maszyn, urządzeń i elementów konstrukcyjnych pracujących w temperaturze od -40 do +300^oC oraz środowiskach nie oddziaływujących szkodliwie na te elementy.

Podział:

-stale niskostopowe o podwyższonej granicy plastyczności,

-stale niskostopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe,

-stale do ulepszania cieplnego,

-stale do nawęglania,

-stale do azotowania,

-stale sprężynowe,

-stale na elementy łożysk tocznych.

Znakowanie:

• Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego: 38Cr2(0,38% C, 0,5% Cr),

• Stale sprężynowe: 48Si7(0,48% C, 1,8% Si), 75Ni8(0,75% C, 2% Ni),

Stale konstrukcyjne niestopowe

Stale niestopowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj na mało odpowiedzialne konstrukcje w budownictwie przemysłowym i ogólnym, których elementy są łączone przez spawanie, nitowanie lub śrubami.

Podział:

-stale niestopowe spawalne drobnoziarniste,

-stale niestopowe do ulepszania cieplnego,

-stale niestopowe na urządzenia ciśnieniowe,

-stale niestopowe automatowe,

-stale niestopowe do nawęglania(lub azotonawęglania),

-stale niestopowe o określonym przeznaczeniu.

Znakowanie jest analogiczne jak w przypadku stopowych konstrukcyjnych

10. Stale narzędziowe – podział, przykłady znakowania.

Klasyfikacja stali narzędziowych

Wyróżniamy stale narzędziowe: węglowe, stopowe do pracy na gorąco, stopowe do pracy na zimno, szybkotnące.

Charakterystyka stali narzędziowych

Wymagania: a)twardość i odporność na ścieranie – stal powinna być twardsza niż obrabiany materiał; szczególnie korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą węgliki złożone. HRC = f(zawartość węgla).

B) odporność na pękanie czyli ciągliwość – stale pracujące w warunkach obciążeń dynamicznych muszą być ciągliwe, co wiąże się z obniżeniem ich twardości. Osiąga się to poprzez zmniejszenie zawartości węgla i stosowanie wysokiego odpuszczania.

C)odporność na odpuszczanie – narzędzia w trakcie pracy nagrzewają się dlatego powinny zachować swoje własności i strukturę w podwyższonych temperaturach; temperatura pracy 20-650⁰C.

d) dobra hartowność – narzędzie powinno uzyskiwać na przekrojach strukturę martenzytyczną po hartowaniu.

E) wysokie własności użytkowe – wysoka trwałość w warunkach pracy, zdolność zachowania krawędzi tnącej, zdolność zachowania kształtu i wymiarów, odporność na obciążenie.

Znakowanie stali narzędziowych

człon: litery : N – stale narzędziowe węglowe lub narzędziowe stopowe do pracy na zimno, W – stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco, S – stale szybkotnące.

litery oznaczające główne pierwiastki stopowe: mangan (M) - stal narzędziowa, krzem (S), chrom (C) – stal narzędziowa, nikiel (N), molibden (L) – stal narzędziowa, (M) – stal szybkotnąca, wolfram (W), kobalt (K), chrom+nikiel+wanad (P), chrom+krzem+wolfram (Z).

C na końcu stali szybkotnących oznacza zwiększenie stężenia węgla.

cyfry – oznaczają zawartość głównego składnika stopowego w % lub numer stali w grupie, np.:

• N8E – stal narzędziowa węglowa (C=0,8%, E - płytko hartująca się)

• NWC – stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno (W ok. 1%; C chrom 1%)

• WNL – stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco (N nikiel 1%; L molibden 1%)

• SW7M – stal szybkotnąca (7% wolfram/molibden)

10. Stale o specjalnych właściwościach – przykłady, charakterystyka.

Stal specjalna – stal przeznaczona do specjalnych zastosowań. Stale specjalne zawierają dużą ilość dodatków stopowych, wymagają bardzo skomplikowanej obróbki cieplnej oraz wysokiego reżimu obróbki i montażu. Ze względu na wysoką cenę nie są stosowane powszechnie.

Do stali specjalnych należą:

stal nierdzewna

stal kwasoodporna

stal żarowytrzymała

stal żaroodporna

stal magnetyczna

stal odporna na ścieranie

Stal nierdzewna

Zawiera około 13-18% Cr

Struktura zależy przede wszystkim od zawartości węgla:

odporne na korozje chemiczną w tym na utleniacze w atmosferze, powietrze, wody naturalnej i pary wodnej, rozcieńczonych kwasów i soli oraz na działanie ropy naftowej, paliw, olejów i alkoholi, a także środków spożywczych.

Np.: 0H13J , 3H13

Stale kwasoodporne

Zawiera około 0,1% C, 18% Cr, 8-10%Ni

odporne na korozje elektrochemiczną, kwasów organicznych i nieorganicznych, związków azotu i roztworów soli i agresywnych środków spożywczych;

zastosowanie: w przemyśle spożywczym i chemicznym;

Np.:00H18N10, H13N4G9

Stale żaroodporne

Stale wysokochromowe 5-30%, (im więcej chromu tym większa żaroodporność);

Ich temperatura pracy może osiągać do 900^oC;

Struktura ferrytyczna;

Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym, w aparaturze chemicznej, itp.

Np.: H9S2, H13J, H18N9S2,

Stale żarowytrzymałe

Wysoka wytrzymałość od 600^oC do 1000^oC;

Są równocześnie żaroodporne;

Podstawowe pierwiastki składowe to: Cr, Mo, Ni, V, W, Mn, (Al, Ti do 1% );

Zastosowanie: w przemyśle chemicznym i naftowym, farmaceutycznym, do aparatury pracującej pod obciążeniem;

Np.: H18JS, H2ST, H26N4

10. Miedź i jej stopy.

Miedź ma bardzo dużą przewodność cieplną i elektryczną, jest bardzo plastyczna i ma dobrą odporność na korozję. Miedź jest stosowana w elektrotechnice na przewody, gdzie wykorzystuje się jej wysoką przewodność elektryczną oraz w energetyce i przemyśle chemicznym na chłodnice i wymienniki ciepła – ze względu na dużą przewodność cieplną.

Stopy miedzi dzieli się na:

odlewnicze,

przeznaczone do obróbki plastycznej.

Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi:

mosiądze zawierające Zn jako główny dodatek stopowy,

miedzionikle, w których głównym dodatkiem jest Ni,

brązy zawierające ponad 2% dodatków stopowych, spośród których głównym nie jest Ni lub Zn.

W zależności od rodzaju głównego dodatku stopowego wyróżnia się brązy:

cynowe,

aluminiowe,

berylowe,

manganowe,

inne, np. ołowiowe, nie znormalizowane w Polsce.

10. Tytan i jego stopy.

Tytan jest pierwiastkiem, którego istotnymi własnościami są:

wysoka wytrzymałość na rozciąganie zarówno w temperaturze otoczenia jak i w podwyższonych stosunkowo małą gęstość () dużą odporność na korozję w powietrzu, wodzie morskiej i wielu innych środowiskach korozyjnych. Mają dobre właściwości mechaniczne w szerokim zakresie temperatur, poddają się obróbce plastycznej, skrawaniu, odlewaniu, zgrzewaniu, spawaniu i lutowaniu.
Stosowane w technice zbrojeniowej, lotniczej, kosmicznej, okrętowej, urządzeniach chemicznych i energetycznych oraz motoryzacji. Odporne na korozję, ale silnie pochłaniające gazy atmosferyczne w wysokich temperaturach, co zmusza do stosowania osłony argonu i helu w procesach wytwarzania i obróbki.

10. Stopy aluminium – przykłady.

Właściwości wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową.

Stopy aluminium dzieli się na:

odlewnicze (PN-EN 1706:2001)

do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2005)

Stopy aluminium z krzemu stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami o stężeniu krzemu. Krzem jako podstawowy składnik tych stopów zapewnia dobrą rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy.

Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan.

Niektóre stopy aluminium nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej.

Przykłady stopów aluminium

Fechral (chromal) - stop żelaza, chromu i aluminium - odporny na utlenianie oraz siarkę, używany do wyrobu elementów grzejnych w postaci drutów i taśm^[1][2].

Kantal (kanthal) - stop żelaza i chromu z niewielkim dodatkiem glinu i kobaltu. Charakteryzuje się dużym oporem właściwym i ma zastosowanie w produkcji drutów oporowych oraz elementów grzejnych.

10. Opisać podstawowe metody badań struktury.

BADANIA MIKROSKOPOWE - Polegają na pobraniu próbki z badanego wyrobu, wyszlifowaniu i wypolerowaniu wybranej powierzchni czyli tzw. zgładu metalograficznego , który po ewentualnym wytrawieniu poddaje się obserwacji mikroskopowej. Celem badań metalograficznym mikroskopem świetlnym jest ujawnienie struktury metali i ich stopów, określenie wielkości i kształtu ziaren z których składa się dany metal lub stop, wykrycie wad niewidocznych okiem nieuzbrojonym.

Przygotowanie zgładów do badań w mikroskopie obejmuje następujące czynności:

1. Wycięcie próbki – należy uważać, aby nie spowodować żadnych zmian strukturalnych wywołanych zgniotem lub nagrzaniem Cięcie obejmuje oper. skrawania i ob. plastycznej.

2. Inkludowanie- zatapianie badanej próbki w materiałach inkludujących. Inkludowanie wykorzystuje się po to aby np. podczas szlifowania i polerowania badanej próbki ( o niewielkich rozmiarach) równomiernie zeszlifować całą powierzchnie. Wyróżniamy dwa sposoby inkludowania: 
   - inkludowanie na zimno 
   - inkludowanie na gorąco

3. Szlifowanie powierzchni - to obróbka wykończeniowa powierzchni za pomocą narzędzi ściernych, w wyniku której uzyskujemy duże dokładności wymiarowe i kształtowe oraz małą chropowatość. Szlifowanie zaczyna się od papierów ściernych gruboziarnistych i przechodzi kolejno na coraz drobniejsze. Szlifowanie na drobniejszym ziarnie prowadzi się aż nie znikną rysy z poprzedniego szlifowania.

4. Polerowanie powierzchni - obróbka wykańczająca, której celem jest uzyskanie żądanej gładkości i połysku powierzchni przedmiotu polerowanego wykonanego najczęściej z metalu, szkła, tworzyw sztucznych. Wyróżniamy polerowanie mechaniczne(za pomocą emulsji Al₂O₃ na suknie polerskim lub pastami diamentowymi), może odbywać się ręczne na wirującej tarczy lub na polerce wibracyjnej oraz polerowanie elektrolityczne przeprowadzane na specjalnych polerkach lub zwykłej zlewce.

5. Trawienie powierzchni - ujawnienie mikrostruktury próbki. Przy trawieniu chemicznym wykorzystuje się zjawisko selektywnego działania odczynnika trawiącego na różne fazy stopu oraz nawet na różne obszary określonej fazy np. w zależności od jej składu chemicznego lub defektów sieci co jest spowodowane zróżnicowaniem potencjału elektrochemicznego na powierzchni zgładu. Występuje również w zastosowaniu trawienie termiczne, które występuje przy wysokiej temperaturze w próżni, lub jonowe przez bombardowanie wypolerowanej powierzchni zgładu jonami obojętnych gazów rozpędzonymi w polu elektrycznym. Ten ostatni sposób ma też zaletę, że usuwa z powierzchni zgładu wszelkie zanieczyszczenia i dlatego jest coraz szerzej stosowany.

10. Metody badań właściwości mechanicznych.

Właściwości mechaniczne materiału określają zachowanie się pod działaniem naprężeń wywołanych siłami zewnętrznymi, zmianami temperatury, przemianami fazowymi, zmianami objętości itp. Materiał poddany obciążeniu reaguje poprzez:

• odkształcenie sprężyste

• odkształcenie plastyczne

• umocnienie

• pękanie

1. statyczna próba rozciągania Próba statyczna rozciągania jest jedną z podstawowych prób stosowanych do określenia jakości materiałów konstrukcyjnych wg kryterium naprężeniowego w warunkach obciążeń statycznych.

Pozwala, bowiem na obserwację zachowania się materiału w całym zakresie odkształceń (sprężystym, sprężysto – plastycznym aż do zerwania), można na jej podstawie określać nie tylko cechy wytrzymałościowe, ale także plastyczne materiału. Próba ta polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonym kształcie (zależnym od rodzaju badanego materiału) w specjalnych uchwytach dostosowanych do próbek. W statycznej próbie rozciągania wyznacza się:

• wytrzymałość na rozciąganie R_m

• wyraźna granica plastyczności R_c

• wydłużenie A i przewężenie Z

1. próba ściskania – ma zastosowanie głównie do badań właściwości materiałów kruchych. Stosunek maksymalnej siły potrzebnej do zniszczenia próbki do pola pierwotnego przekroju wyznacza wytrzymałość na ściskanie R_c.

2. Próba udarności (zginania udarowego) Najprostszą metodą odporności na pękanie. Próba ta polega na dynamicznym łamaniu na specjalnym młocie wahadłowym, próbek o przekroju 55 x 10 x 10mm mających z jednej strony karb. Karb próbki powinien być usytuowany po stronie przeciwnej do kierunku uderzenia młota. Innymi słowy metoda ta polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego Charpy’ego próbki z karbem (rzadziej bez karbu) podpartej swobodnie na obu końcach i pomiarze pracy jej złamania. Jako wynik próby udarności podaje się zużytą pracę w J na złamanie próbki lub używane nadal pojęcie udarności, czyli stosunku pracy łamania do pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu złamania.

3. Statyczna próba zginania Statyczna próba zginania należy do stosowanych prób mechanicznych o charakterze wytrzymałościowym lub technologicznym. Zadaniem statycznej próby zginania wytrzymałościowego jest określenie wskaźników wytrzymałościowych na zginanie oraz cech sprężystych i plastycznych badanych tworzyw w warunkach zginania. Natomiast zadaniem statycznej próby zginania technologicznego jest sprawdzenie zdolności półwyrobu lub wyrobu do odkształceń plastycznych w czasie działania siły zginającej.

4. Twardość twardość charakteryzuje odporność danego materiału na działanie zewnętrznych sił powodujących zarysowanie, ścieranie, tworzenie zagłębień i innych odkształceń na powierzchni. Twardość mierzy się metodą wciskania małych, twardych elementów (kula z hartowanej stali, stożek lub ostrosłup diamentowy). .

Pomiar twardości metodą Brinella.

Narzędziem wciskającym się w powierzchnię próbki jest kulka stalowa lub przy twardszych materiałach – kulka wykonana z węglików spiekanych. Podstawą do określania twardości jest średnica trwałego odcisku mierzona po odciążeniu. Średnica kulki (1 do ), czas oraz siła docisku, zależy od rodzaju materiału i grubości próbki. Jako wskaźnik twardości przyjmuje się wartość HB. Zaletą tej metody jest możliwość pomiaru twardości stopów niejednorodnych o raz jedna skala twardości. Wadą jest długotrwałość pomiaru, wyniki nie zawsze są porównywalne, brak możliwość pomiarów małych przedmiotów, stosowanie do badań tylko materiałów
o ograniczonej twardości (do 630 HB), twardość jest zależna od siły nacisku.

Pomiar twardości metodą Vickersa.

Pomiaru twardości metodą Vickersa dokonuje się diamentowym ostrosłupem o kwadratowej podstawie, o kącie rozwarcia pomiędzy ścianami 136°. Nacisk dobierany jest od 1 do siły i wykonuje się go aparatem Vickersa. Diamentowy wgłębnik pozwala na badanie materiałów wszelkich twardości. Zaletami metody Vickersa są m.in.: duża porównywalność tej metody z metodą Brinella, możliwość uzależnienia twardości HV od wytrzymałości na rozciąganie Rm, możliwość stosowania tej metody zarówno do materiałów miękkich, jak i bardzo twardych, małe głębokości odcisków, zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru, duża dokładność odczytu przekątnych, wynik pomiaru twardości przy zastosowaniu większych obciążeń nie zależy od zastosowanego obciążenia.

10. Zasady doboru materiałów.

. Dobór materiałów

Dane materiałowe są potrzebne na każdym etapie procesu projektowego. Rodzaj danych niezbędnych we wczesnych etapach różni się znacznie , zarówno co do dokładności, jak i zakresu, od tych, które są potrzebne później. Tworząc projekt koncepcyjny, projektant potrzebuje przybliżonych danych dla możliwie największej liczby materiałów. Wszystkie możliwości są jeszcze otwarte: dla jednej opcji najlepszy może być materiał polimerowy, a dla innej metaliczny, pomimo że chodzi o tę samą funkcję. Na tym etapie problemem nie jest dokładność danych, lecz tylko ich przedział i dostępność.

Rys. 1. Schemat procesu projektowania wyrobów

Inżynierskie właściwości materiałów przedstawiono w praktyczny sposób na wykresach doboru materiałów. Zawierają one podsumowanie licznych informacji w syntetycznej i przystępnej postaci, pokazują zakresy właściwości dostępnych dla projektanta oraz umożliwiają ustalenie zbiorów materiałów charakteryzujących się określonymi właściwościami. Dzięki odpowiedniemu doborowi osi wykresów można uzyskać dodatkowe informacje, np.: linie przewodnie na wykresie moduł Younga E – gęstość ρ ilustrują prędkość fali podłużnej w ciele stałym. Na wykresie przedstawiającym krytyczny współczynnik intensywności naprężeń K_k w zestawieniu z modułem Younga E można odczytać dane dotyczące wiązkości materiałów G_k. Wykres przewodność cieplna λ – dyfuzyjność cieplna a zawiera również objętościowe ciepło właściwe ρ_Cv. Wykres znormalizowanej wytrzymałości σ_f/E w zestawieniu ze współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej a umożliwia ustalenie odporności materiałów na szoki cieplne ΔT. Najbardziej uderzającą cechą wykresów doboru materiałów jest sposób, w jaki skupiają się na nich dane dotyczące poszczególnych rodzajów materiałów. Na przykład pomimo szerokiego zakresu wartości modułu sprężystości i gęstości dla metali, zajmują one odrębny obszar, wyraźnie różny od obszarów odpowiadających polimerom, ceramice i kompozytom. TO samo dotyczy wytrzymałości, wiązkości, przewodnictwa cieplnego i pozostałych właściwości: obszary czasem się nakładają, ale zawsze mają swoje charakterystyczne położenie na wykresie. Rozmieszczenie poszczególnych obszarów na wykresie i relacje między nimi łatwo wytłumaczyć w kategoriach fizycznych rodzajem wiązań, gęstością upakowania atomów, oporem sieci krystalicznej i sposobem drgań atomów (będącego funkcją rodzaju wiązań i upakowania atomów) itd. Na podstawie wykresów wyraźnie pokazano, że podstawowe różnice między właściwościami materiałów mają swoje źródło w masie atomów, naturze sił wiążących atomy oraz geometrii och rozmieszczenia. Dodatki stopowe, obróbka cieplna i obróbka plastyczna na zimno mają wpływ na mikrostrukturę, a przez nią na właściwości, powodujące widoczne na wielu wykresach wydłużanie obszarów. Siła oddziaływania tych zabiegów jest jednak ok. dziesięciokrotnie mniejsza niż wpływ czynników na poziomie atomowym. Wykresy doboru materiałów mają następujące cechy:

• Zakres wartości na osiach wykresów jest dobrany w taki sposób, aby objąć wszystkie materiały inżynierskie

• Dane dotyczące określonego rodzaju materiałów skupiają się w pewnym obszarze

• W obrębie pola zajmowanego na wykresie przez każdy rodzaj materiału uwzględniono informacje dla reprezentowanego ich zbioru – zbiór ten składa się z materiałów najpowszechniej i najczęściej stosowanych, wybranych tak, aby został objęty pełnym zakresem właściwości danej grupy

TABLICA 1.	Właściwości materiałów inżynierskich uwzględniane w procesie projektowania i doboru materiałów
	Rodzaj właściwości
	Ogólne
	Mechaniczne
	Cieplne
	Cierne
	Korozyjne/utleniające

Przy opracowaniu projektu ogólnego są potrzebne dane o większym stopniu szczegółowości i dokładności, lecz dla znacznie większego podzbioru wstępnie wybra­nych materiałów. Można je znaleźć w podręcznikach, poradnikach lub komputerowych bazach danych. Przedstawiono w nich w różnej postaci - liczb, wykresów i porównań - właściwości pojedynczych grup materiałów, np. metalicznych, co umożliwia wybór uwzględniający szczegóły niedostępne w opracowaniach obejmujących wszystkie materiały.

W etapie końcowym, tzn. projekcie szczegółowym, wymagana jest jeszcze większa dokładność i szczegółowość, lecz już tylko dla jednego bądź nielicznych materiałów. Takich danych najlepiej szukać w publikacjach wydawanych przez producenta konkret­nego materiału. Właściwości takiego materiału (np. polietylenu) mogą różnić się nieco od siebie w zależności od jakiego są producenta. W fazie projektowania szczegółowego należy zidentyfikować producenta materiału i dane materiałowe właśnie od niego używać do ewentualnych obliczeń. Niekiedy jednak to nie wystarczy i jeżeli część jest wy­jątkowo odpowiedzialna (tzn. jej uszkodzenie w takim czy innym sensie mogłoby być katastrofalne), pod rozwagę należy wziąć możliwość wykonania własnego pomiaru kry­tycznej właściwości na próbce materiału od wybranego producenta.