Metaloznawstwo Wykład

Ródnik Metaloznawstwo

Blicharski Materiałoznawstwo

Stany Skupienia materii

Kryształ – To substancja stała zbudowana z atomów jonów i cząsteczek uporządkowanych w czasie i przestrzeni.

Prosta sieciowa to prosta a wektora uzyskana w wyniku przesunięcia

Sieć przestrzenna

z

c

beta alfa y

gamma

Rys.1

Rys.2

Kierunek krystalograficzny opisuje się podając współrzędne węzła przez które on przechodzi. Podaje się go w nawiasach [] między liczbami nie stawia się przecinków, a znak minus umieszcza się nad liczbą. Kierunki o tych samych liczbach a różnym zwrocie tworzą rodzinę kierunków które zapisujemy w nawiasach <>.

Wskaźnikowanie płaszczyzn:

Rys.3

Układ regularny:

a=b=c alfa=beta=gamma=90stopni

rys.

Układ tetragonalny

a=b#c alfa=beta=gamma=90stopni

Rys.

Układ rombowy

a#b#c alfa=beta=gamma= 90stopni

Rys.

Układ romboedryczny

a=b=c alfa=gamma#90stopni

Rys.

Układ jednoskośny

a#b#c alfa=gamma=90 stopni beta#90stopni

Rys.

Układ trójskośny

a#b#c alfa#beta#gamma#90stopni

Rys.

Układ heksagonalny

a=b#c alfa=betta=90 gamma=120stopni

Rys.

Układy krystalograficzne mogą różnić się symetrią. Rozróżnia się :

CECHY CHARAKTERYSTYCZNE Komórki

Liczba koordynacyjna – jest to liczba najbliższych i równoodległych węzłów od dowolnego węzła sieci

Gęstość upakowania – rzeczywista liczba atomów przypadająca na komórkę elementarną. Atom naroża należy do komórki w 1/8, a tom na ścianie w ½.

Stopień wypełnienia przestrzeni atomami- Oblicza się dzieląc objętość zajętą przez atomy (kule) przez objętość komórki elementarnej (równoległościanu).

PODSTAWOWE UKŁADY KRYSTALICZNE

A1-układ regularny ściennie centrowany

Liczba koordynacyjna = 12

Gęstość upakowania : Nk=8x1/8 + 6x1/2= 4

Stopień wypełnienia przestrzeni alfa=0,72

Cu, Ag, Ca, Sr, Pd, Ir, Pt, gamma-Fe, beta-Co, beta-Ni

W sieci tej występują płaszczyzny gęstego upakowania 111. W sieci wystepują dwa rodzaje luk : większe okaedryczne które mogą zajmować atomy o średnicy 0,41 oraz luki mniejsze tetraedryczne czworościenne o parametrze średnicy atomu podstawowego 0,225 .

Sieć A2 regularna przestrzennie centrowana

Liczba koordynacyjna = 8

Nk- 8x1/8 + 1 = 2

Alfa = 0,68

Cr, Mo, Nb, Na, W, V, Ti-beta(>882C) Fe-alfa (<912C)

Luka oktaedryczna ma parametr 0,29 średnicy atomu podstawowego, luka tetraedryczna 0,150.

Sieć A3 – heksagonalna zwarta

LK- 12

NK-6

Alfa= 0,74

Mg, Zn, Cd, Ti, Zr, alfa-Co

Cechą charakterystyczną jest stosunek jej wysokości c do odległości między atomami podstawy a. W sieci idealnej c/a = 1,63 w rzeczywistości waha się od 1,58 do 1,63, może być też większa. W sieci występują luki o wielkości takiej jak A1.

Sieć A3 można opisać stosując sekwencję ułożenia płaszczyzn

Polimorfizm :

Anizotropia :

Anizotropia dotyczy własności fizycznych, chemicznych oraz mechanicznych. Niektóre własności np. gęstość, temperatura topnienia, ciepło właściwe nie zależą od kierunku badania, są izotropowe. W metalach technicznych które są materiałami polikrystalicznymi, własności są niemal identyczne we wszystkich kierunkach dlatego nazywa się je quasi izotropowymi.

Budowa Stopów

Stopy są substancjami dwu lub wieloskładnikowymi, makroskopowo wykazującymi własności metaliczne.

Składnikami stopów są substancje proste np. pierwiastki, lub złożone np. związki nie ulegające przemianom.

Stopy Metali

W wyniku procesu krystalizacji z cieczy mogą powstać

Warunki powstawania :

Roztwory stałe

Ze względu na budowę dzielimy na

Ze względu na zakres występowania :

  1. Pierwotne

  2. Wtórne

Roztwory stałe różno węzłowe

Atomy składnika rozpuszczanego zajmują przypadkowe pozycje w węzłach sieci krystalograficznej rozpuszczalnika.

Atomy pierwiastka rozpuszczonego będą wywoływać deformację sieci krystalograficznej. Jeżeli atom pierwiastka rozpuszczonego jest większy niż rozpuszczalnika to następuje odkształcenie płaszczyzny „od wady” a, gdy jest mniejszy zagięcie płaszczyzn w kierunku wad.

Zaburzenia geometrii sieci prowadzą do zmiany właściwości mechanicznych stopu w stosunku do czystych pierwiastków – występuje zjawisko umocnienia roztworowego

Zmniejsza się plastyczność, a podwyższeniu ulega wytrzymałość i twardość.

Zmianie się ulegają także właściwości fizyczne, takie jak przewodność elektryczna, cieplna czy właściwości magnetyczne.

Roztwory stałe ciągłe –

W roztworach stałych ciągłych liczba węzłów sieci krystalicznej rozpuszczalnika zajętych przez atomy drugiego składnika rośnie wraz ze zwiększaniem się stężenia składnika rozpuszczonego – od struktury czystego metalu A do struktury metalu B.

Roztwory różno węzłowe tworzą między sobą : Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W

Różnica promieni atomowych przekraczająca 15% uniemożliwia powstanie roztworu nieograniczonego.

Roztwory Stałe międzywęzłowe:

Roztwory międzywęzłowe tworzą między sobą

Rozkład atomów jest przypadkowy.

Atomy składnika rozpuszczonego zajmują luki w sieci przestrzennej rozpuszczalnika.

Zniekształcenie sieci polega na ekspansji niezależnie od różnicy wielkości atomów.

Roztwory międzywęzłowe to tylko roztwory stałe graniczne.

Kryteria tworzenia roztworów stałych Hume- Rothery’ego :

  1. Czynnik wielkości atomu – roztwory stałe ciągłe powstają gdy różnica wielkości atomów jest niewiększa niż 15%, w innym wypadku powstają roztwory graniczne

  2. Czynnik elektrowartościowości ujemnej – im bardziej elektrododatni a drugi elektroujemny tym większa tendencja do tworzenia faz międzymetalicznych niż roztworów stałych.

  3. Czynnik względnej wartościowości – pierwiastek o mniejszej wartościowości łatwiej rozpuszcza pierwiastek o większej wartościowości niż na odwrót.

Nadstruktury

Roztwór stały, charakteryzujący się prawidłowym rozkładem atomów obydwu składników w sieci, jest nazywany nadstrukturą i powstaje w wyniku przepiany : nieporządek porządek

Nadstrukturom można przypisać wzory AB, AB3, A3B odpowiadające ilościowym stosunkom atomowym A i B, równym 1:1, 1:3, 3:1.

Nadstruktury powstają gdy energia wiązań między atomami różnych pierwiastków jest większa niż między atomami tych samych pierwiastków.

Po uporządkowaniu nadstruktury zmieniają się właściwości stopu, wzrasta przewodnictwo elektryczne oraz twardość, a maleją właściwości plastyczne.

Fazy międzymetaliczne :

Fazy elektronowe

Układ równowagi o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym

Analiza stopu

Linia 1-4 likwidus

Linia 2-3 solibus

Do temperatury punktu 1 w stopie nie zachodzą przemiany, stygnie jedynie faza ciepła. W punkcie 1 wydziela się pierwszy kryształ roztworu stałego alfa, którego skład określamy, rzutując ten punkt na linie sortus (punkt 2 ), a następnie na linie składu chemicznego (punkt 2’). W temperaturze punktu 3 wydziela się ostatni kryształ, skład cieczy z której on powstał określa się rzutując ten punkt na linie likwidus (punkt 4) i na linię składu chemicznego (punkt 4’) . Poniżej temperatury punktu 3 występuje roztwór stały alfa.

Reguła dźwigni


m + ml = 1


m * C + ml * Cl = 1 * c


$$m_{l} = \frac{c - c_{\propto}}{cl - c_{\propto}} = \frac{\text{PR}}{\text{RS}}$$


$$m_{\propto} = \frac{cl - c}{cl - c_{\propto}} = \frac{\text{PR}}{\text{RS}}$$

Układ równowagi o całkowitej nierozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką

Stop I – 90%Bi i 10% Cd

Stop II- 70% Bi I 30% Cd

Stop III – 60% Bi I 40% Cd

Stop IV – 50% Bi I 50% Cd

Stop V – 30% Bi I 70% Cd.

Linia 1,2,4,E,6,8,10 likwidus

Linia 1,11,3,5,E,7,9,12,10 solidus

Stop III – do temperatury punktu E stygnie faza ciekła. W punkcie E w cieczy jednocześnie wydzielają się kryształy czystego bizmutu i czystego kadmu. Powstała mieszanina kryształów jest drobnoziarnista i nosi nazwę eutektyk. Mieszanina eutektyczna ma najniższą temperaturę topnienia ze wszystkich składników stopów. Stopy leżące od eutektyki w kierunku pierwiastka o niższej temperaturze noszą nazwę podeutektyczne, a stopy leżące w kierunku pierwiastka nadeutektyczne.

Stop V – w punkcie 8 wydziela się pierwszy kryształ, którego skład określa rzutując na linię solidus (8’) i na linię składu chemicznego jest to kryształ czystego kadmu. Przy dalszym chłodzeniu z cieczy o której skład zmienia się wzdłuż linii 8,E wydzielają się kryształy Cd. W punkcie 9 z cieczy o składzie punktu E powstaje eutektyka Bizmut + Cd. W temperaturze otoczenia stop składa się z kryształów kadmu i eutektyki Bizmut +Cd. Układ taki tworzą Cd-Bi, As-Pb, Cr-Mo, Zn-Sn

Układ równowagi o ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką.

Układ tworzą Al z Ge , Zn z Mg, Ag z Cu, Cu z Sn.

W układzie tym występują dwa roztwory stałe.

Alfa – roztwór stały składnika b w składniku a

Beta – roztwór stały składnika w składniku b

Linia A,E,B – likwidus

Linia A,D,E,F,B- solidus

Linia D,G – linia granicznej rozpuszczalności składnika b w składniku a

Linia F,H – linia granicznej rozpuszczalności składnika a w b

W punkcie 1 wydziela się pierwszy kryształ alfa. Wydzielanie kryształów trwa do temperatury punktu 2 w której krzepnie ostatni kryształ. Przy dalszym obniżaniu temperatury stygną kryształy roztworu alfa aż to temperatury punktu 3. Od tego punktu w związku z malejącą rozpuszczalnością składnika b w a, zaczyna się wydzielać faza bogata w składnik b tworząc nam roztwory stały beta. Noszą one nazwę wtórnych dróg drugorzędowych, wydzielają się na ogół na granicach ziarna. Oznacza się je beta’ albo beta II. W temperaturze otoczenia stop składa się z kryształów alfa i beta’.

Stop II –

…………………

Rzeczywista struktura metali

Defekty struktury krystalicznej:

Defekty punktowe charakteryzują się niewielkimi wymiarami w 3 kierunkach powodują one deformację sieci krystalicznej. W przypadku wakansu płaszczyzny sieciowe zaginają się w kierunku wady, jest to kontrakcja sieci, w przypadku atomu międzywęzłowego wyginają się od wady, jest to ekspansja sieci.

Kontrakcja sieci ekspansja sieci

Ilość wakansów


$$\frac{n}{N} \cong Aexp( - \frac{Q_{w}}{\text{kT}})$$

N- liczba atomów w krysztale

n- liczba wakansów

qw- energia potrzebna do utworzenia wakansu

k- stała boltzmanna

T- temperatura

  1. Stała proporcjonalności

W materiałach mogą występować dwa rodzaje defektów punktowych.

B) Defekt Frenkla – gdy atom z pozycji węzłowej przechodzi w pozycję międzywęzłową

A) Defekt Schottky’ego-gdy atom z pozycji węzłowej przechodzi na pozycję kryształu

Defekty liniowe charakteryzują się niewielkimi wymiarami w dwóch kierunkach i rozprzestrzeniają się w kierunku 3. Są to dyslokacje krawędziowe, śrubowe i mieszane.

Dyslokacja w krysztale występuje ,gdy kontur burgersa dyslokacji nie domyka się . W krysztale idealnym do zamknięcia jakiegoś konturu potrzeba n wektorów. W krysztale z dyslokacją do zamknięcia takiego samego konturu potrzeba n+1 wektorów. Ten ostatni wektor nosi nazwę wektora burgensa i charakteryzuje dyslokację. W dyslokacjach krawędziowych wektor burgersa jest prostopadły do linii dyslokacji. Mogą występować dyslokacje dodatnie lub ujemne „T” lub ujemne

Dyslokacje krawędziowe leżące w płaszczyznach najgęściej osadzonych atomami będącymi płaszczyznami poślizgu przemieszczają się pod działaniem naprężenia stycznego (nie przemieszcza się cały kryształ )

Dyslokacja śrubowa – to przemieszczanie jednej części kryształu względem drugiej jego części wzdłuż linii zwanej linią dyslokacji śrubowej

Wektor burgersa jest równoległy do linii dyslokacji. Mogą być prawo lub lewoskrętne.

Dyslokacje mieszane – są to dyslokacje o dowolnym kącie wektorowym burgensa. Można je rozłożyć na składową krawędziową i składową śrubową B=cosα.

Wszystkie dyslokacje występujące w krysztale tworzą tzw. pętlę dyslokacyjną.

Powstawanie i rozmnażanie dyslokacji.

  1. Powstają podczas krystalizacji ( podczas zrastania dendrytów) gdy kąt dezorientacji krystalograficznej jest niewielki.

  2. Tworzą się przez przyłączenie płaszczyzn gęstego upakowania w sieci A1 i A3 w błędnej sekwencji

  3. Powstają w wyniku kondensacji wakansów

  4. Generowane są przez źródło Franka-Reada.

Dyslokacje przemieszczające się w płaszczyźnie poślizgu stykając się oddziałują na siebie. Dyslokacje jednoimienne odpychają się ,a dyslokacje o przeciwnych wektorach burgersa przyciągają się . Przyciąganie dyslokacji różnoimiennych powoduje ich likwidację, a zjawisko nosi nazwę anihilacji dyslokacji różnoimiennych.

Defekty powierzchniowe

Granice ziarna

Oddzielają ziarna różniące się orientacją krystalograficzną, a w stopach ponadto składem chemicznym.

Rozróżnia się granice wąsko kątowe i szeroko kątowe. Granice wąsko kątowe występują gdy kąt desorientacji krystalograficznej tj. kąt utworzony między głównymi kierunkami orientacji krystalograficznej dwóch ziarn jest nie większy niż 10 stopni. Kąt ten sinQ=b/D gdzie b(wektor burgersa), D – odległość między dyslokacjami na granicy. Jeżeli granica jest zbudowana z dyslokacji śrubowych nosi nazwę dyslokację skręcenia.

Granica szeroko kątowa – na razie nie jest tłumaczona teorią dyslokacji.

Granice bliźniacze – to granice występujące w monokryształach zrośniętych ze sobą tak, że sieć jednego można przekształcić w sieć drugiego przez przekształcenie symetrii. Granica między kryształem wyjściowym a bliźniakiem zwana płaszczyzną habitus pasuje do obu części kryształu . powstaje w wyniku odkształcenia plastycznego, rekrystalizacji przemian fazowych.

Granice międzyfazowe

Oddzielają one ziarna różniące się składem chemicznym, orientacją krystalograficzną. Gdy zachowana jest ciągłość płaszczyzn sieciowych jest to granica koherentna (sprzężona) gdy tylko niektóre płaszczyzny zachowują ciągłość i występują dyslokacje. Jest to granica półkoherentna (półsprzężona) Gdy brak jest ciągłości płaszczyzn sieciowych jest to granica niekoherentna (niesprzężona)

Błędy ułożenia

Powstają gdy zostanie zaburzona sekwencja ułożenia płaszczyzn gęstego upakowania. Powstają one w skutek kondensacji wakansów, zaburzonego wzrostu kryształów , odkształcenia plastycznego.

Rozróżnia się wewnętrzny i zewnętrzny kąt ułożenia w sieci A1 (sekwencja abc abc) dla błędu wewnętrznego zmienia się na (abc cba) , a dla błędu zewnętrznego (abc babc)


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
metale ściąga 3, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe wykłady, Egzamin, ści
Lekkie Konstrukcje Metalowe wykłady 1,2,3,4
metale ściąga 2, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe wykłady, Egzamin, ści
metale ściąga, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe wykłady, Egzamin, ściąg
Ściąga - stale, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe wykłady, Egzamin, ścią
Konstrukcje metalowe wyklad Lodz id 246317
konstrukcje--stalowe-same-----wzory, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe w
Konstrukcje metalowe wykłady
metale 2, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe wykłady, sciągi + rysunki na
metale ściąga 3, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe wykłady, Egzamin, ści
7 wyklad konstrukcji metalowych
Sciaga ze stali-semV-wyklad4, BUDOWNICTWO, KONSTRUKCJE METALOWE 2
Konstrukcje stalowe - Wyklady, Studia, Przyszle lata, III rok pg, Konstrukcje metalowe
Konstrukcje metalowe Sem VI Wyklad 02
ściąga zaliczenie wykładu, Uczelnia, Konstrukcje metalowe
Konstrukcje metalowe Sem VI Wyklad 04

więcej podobnych podstron