1. Wybór materiału inżynierskiego

Ekonomia	Cena Dostępność
Mechaniczne właściwości objętościowe	Gęstość Współczynnik sprężystości i tłumienia Granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie Odporność na pękanie Wytrzymałość zmęczeniowa Odporność na zmęczenie cieplne Odporność na pełzanie
Nie mechaniczne właściwości objętościowe	Właściwości cieplne, optyczne, magnetyczne, elektryczne, ...
Właściwości powierzchni	Utlenianie i korozja Tarcie, ścieralność i zużycie
Właściwości produkcyjne	Łatwość wytwarzania, łączenia części, wykańczania
Właściwości estetyczne	Wygląd powierzchni, przyjemny dotyk

1. Rodzaje materiałów inżynierskich; ich główne wady i zalety

Rodzaje materiałów inżynierskich:

- metale i ich stopy

- materiały ceramiczne i szkła

- polimery

- kompozyty

Zalety metali i stopów:

- duża sztywność

- ciągliwość (zdolność do odkształceń trwałych)

- odporność na pękanie (na obciążenia dynamiczne)

- dobra przewodność elektryczna i cieplna

- połysk metaliczny

- dużą wytrzymałością mechaniczną;

- zadawalającą ciągliwością.

Wada metali i stopów:

- mała odporność chemiczna i korozja.

1. Wzajemne powiązanie: właściwości materiału, struktura, technologia otrzymywania

Właściwości materiału:

- moduł sprężystości

- granica plastyczności

- wytrzymałość na rozciąganie

- odporność na pękanie

- twardość

- ciągliwość

Struktura

W metalach i wielu materiałach ceramicznych atomy ułożone są względem siebie w sposób regularny i powtarzalny – stan krystaliczny. Niektóre materiały ceramiczne i większość polimerów nie mają uporządkowanego rozłożenia atomów

Proces wytwarzania

Metale:

- wlanie ciekłego metalu do formy

- odkształcenie pod wpływem dużych nacisków (walcowanie, kucie, wyciskanie, ciągnienie, tłoczenie, zginanie)

Materiały ceramiczne:

- prasowanie

- wyciskanie

- odlewanie z gęstwy

Polimery:

- wtrysk

- wytłaczanie

- rozdmuchiwanie

1. Powody wzrostu zainteresowania stosowaniem materiałów kompozytowych

KOMPOZYTY: dają dużą wytrzymałość i ciągliwość. Produkowane obecnie kompozyty włókniste należą do najbardziej zaawansowanych materiałów inżynierskich.

5. Budowa atomu w świetle odkryć ostatnich lat

Atom jest skupieniem drobnych cząstek materii, zwanych elementarnymi tj: elektrony, protony, neutrony. Protony i neutrony to inaczej nukleony i tworzą one jądro atomu, a wokół niego krążą elektrony. Każdy atom składa się z części wewnętrznej tzw. jądra i części zewnętrznej- powłok elektronowych. Podstawową jednostką atomu jest jego masa atomowa (ciężar atomowy) wyrażona jednostką względną w stosunku do 1/16 masy atomu tlenu. Praktycznie za masę atomu przyjęto masę jego jądra (tj. protonów i neutronów) gdyż masa elektronów jest bardzo mała.

Proton składa się z dwóch kwarków u i jednego kwarku d jego ładunek wynosi +1.
Neutron składa się z dwóch kwarków d i jednego kwarku u i jest elektrycznie obojętny (ład.0)
Nukleony mają po dwa kwarki: górny +2/3 i dolny -1/3.

6. Rodzaje wiązań chemicznych

Wiązanie jonowe – powstaje, gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektro ujemy. W ten sposób oba atomy uzyskują oktetowi konfiguracje elektronowe. Duża rezystywność, oporność cieplna i kruchość.

Wiązanie atomowe (kowalencyjne) - u atomów pierwiastków elektroujemnych – zwykle gazów – elektrony walencyjne obu atomów tworzą pary należące do obu pierwiastków. Występuje np. w diamencie.

Wiązanie van der Waalsa (międzycząsteczkowe) - wiązanie to jest wynikiem powstawania chwilowych dipoli na skutek nierównomiernego rozkładu ładunków w chmurach elektronowych atomów. Te z kolei indukują dipole w sąsiednich atomach, co umożliwia ich wiązanie. Wiązanie to jest jednakże bardzo słabe (ok. 103 - 104 razy słabsze niż atomowe).

Wiązanie metaliczne - występują w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu na małą odległość oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów. Przemieszczają się one swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi, tworząc gaz elektronowy.

7. Orientacyjne wartości energii różnych wiązań chemicznych

Wiązanie	Energia wiązania, kJ mol^-1
Jonowe	600 – 1550
Kowalencyjne	500 – 1250
Metaliczne	100 – 850
Van der Waalsa	< 40

8. Wskaźnikowanie położeń, kierunków i płaszczyzn sieciowych – zasady.

Określenie długości odcinków odciętych na osiach układu współrzędnych przez rozpatrywaną płaszczyznę, podanie odwrotności tych odcinków, zredukowanie odwrotności do najmniejszych liczb całkowitych.

9. Geometria komórki sieciowej – stałe sieciowe

Stałe sieciowe (parametry sieciowe):

- długości krawędzi komórki (a,b,c)

- kąty między krawędziami (α,β,γ)

10. Rodzaje struktur krystalicznych charakterystycznych dla metali – opis komórek elementarnych

11. Oznaczenia struktur krystalicznych metali

Zalecana symbolika Pearsona

Symbol składa się z 2 liter i liczby:

1. litera (mała) – oznacza układ krystalograficzny : c, h, t, o, m, a

2. litera (duża) – oznacza typ sieci Bravais’go: P, I, F, C, R

3. ilość atomów przypadająca na komórkę elementarną

12. Współczynnik Poissona

Współczynnikiem Poissona nazywamy wartość bezwzględną odkształcenia poprzecznego.

13. Moduł Younga – definicja, zakres zastosowania, interpretacja

Moduł Younga - współczynnik sprężystości wzdłużnej.

Wyraża on, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego materiału od naprężenia , jaki w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.

Moduł Younga jest hipotetycznym naprężeniem, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie.

14. Statyczna próba rozciągania – sposób wykonania

• zazwyczaj obciążenie zastępuje się naprężeniem nominalnym, a wydłużenie odkształceniem nominalnym

• kształt krzywej identyczny, lecz możliwe porównanie próbek

Rys. Krzywa obciążenie – wydłużenie dla metali plastycznych (np. Al)

15. Wielkości wyznaczane w statycznej próbie rozciągania

- Wytrzymałość na rozciąganie

- Wydłużenie względne

- Przewężenie względne

16. Twardość (mikrotwardość) materiału

Twardość – opór materiału przeciw wciskaniu obiektu nazywanego wgłębnikiem.

17. Udarność – definicja, wyznaczanie, zaznaczenie struktury krystalicznej i składu stopu

Udarność - odporność na działanie naprężeń dynamicznych.

Miara udarności: energia konieczna do zniszczenia próbki obciążonej udarowo

• Stopy o strukturze RSC – ciągliwy typ przełomu (dobra udarność), niezależnie od T

• Stopy o strukturze HZ – są zazwyczaj kruche

• Stopy o strukturze RPC – sposób pękania zależy od T; w niskiej T pękanie kruche, w wyższej T pękanie ciągliwe

18. Zmęczenie materiału; miara zmęczenia dla stali i stopów metali niezależnych

Zmęczenie – pękanie materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń

• 90 % zniszczonych podczas eksploatacji ruchomych części maszyn wynika ze zmęczenia materiału

• Wytrzymałość zmęczeniowa (dla stali): graniczna amplituda naprężeń, przy której próbka nie ulegnie zniszczeniu nawet przy bardzo dużej ilości cykli

• Wytrzymałość zmęczeniowa (dla stopów nieżelaznych): największa amplituda naprężeń, przy której próbka nie ulegnie zniszczeniu podczas arbitralnie dużej liczby cykli (najczęściej N = 106)

• Wytrzymałość zmęczeniowa dla stopów wynosi najczęściej od ¼ do ½ Rm.

Powierzchnia przełomu składa się z dwóch części:

• Gładkiej, z koncentrycznymi liniami względem miejsca, od którego rozwijało się pęknięcie; ta część powstaje powoli

• Szorstkiej i ziarnistej; odpowiada gwałtownemu zniszczeniu elementu

19. Pełzanie materiału

Pełzanie materiału – zwiększające się z upływem czasu odkształcenie plastyczne pod wpływem stałego obciążenia

20. Rodzaje roztworów stałych

-podstawowe
-wtórne
-graniczne
-ciągłe

21. Warunki konieczne do pełnej wzajemnej rozpuszczalności 2 metali w fazie stałej

• muszą mieć ten sam typ struktury

• różnica promieni atomowych nie może przekraczać 15 %

• podobna elektroujemność

• taka sama wartościowość

22. Punktowe defekty struktury krystalicznej. Rodzaje, powody powstawania, ilość.

DEFEKTY PUNKTOWE (zerowymiarowe)

• Defekty punktowe istnieją niezależnie od przedstawionych wcześniej defektów chemicznych

• 2 rodzaje defektów punktowych:

  • wakancje (wakansy)

  • atomy rodzime w położeniach międzywęzłowych

23. Defekty liniowe struktury krystalicznej

Defekt sieci krystalicznej powstały w wyniku przesunięcia się pewnej części sieci w stosunku do pozostałej części, zakłócający periodyczność sieci krystalicznej.

24. Defekty powierzchniowe (trójwymiarowe) struktury krystalicznej

Defekty powierzchniowe - granice ziaren – wąska strefa materiału, w której atomy są ułożone w sposób chaotyczny. Wyróżniamy wąsko kątową i szeroko kątową.

25. Odmiany alotropowe żelaza (komórki elementarne)

• żelazo alfa (α)

• żelazo beta (β)

• żelazo gamma (γ)

• żelazo delta (δ).

• żelazo epsilon (ε)

26. Reguła faz Gibbsa. Pojęcie fazy i składników układu

Faza – część układu oddzielona od reszty układu wyraźną granicą, na której przynajmniej pewne makroskopowe właściwości chemiczne i fizyczne ulegają skokowej zmianie.

Reguła Gibssa:

Opisuje ona równowagę faz. Wnioski:
• Brak możliwości równowagi dla 4 faz i wyżej w układach 2-składnikowych
• Równowaga 3 faz w ukł 2-składnikowych jest możliwa przy stałej temp i przy określonym stężeniu składników w fazach
• 2 fazy pozostają w równowadze gdy układ ma jeden stopień swobody
• Gdy istnieje jedna faza układ ma dwa stopnie swobody

Składniki układu – pierwiastki lub związki niezbędne do utworzenia wszystkich faz występujących w danym układzie.

34. Reguła dźwigni

Reguła dźwigni (reguła odcinków )– ilościowy stosunek poszczególnych faz, które określa się za pomocą stosunku odpowiednich odcinków. Służy do określania procentowego lub wagowego udziału faz w stopie przy danej temperaturze w stanie równowagi, ich ilości oraz składu chemicznego.

37. Układ żelazo-węgiel.

Stale nie są czystymi stopami żelaza z węglem, lecz zawierają pewne ilości dodatków.
Węgiel powoduje:

- wzrost własności wytrzymałościowe stali, a spadek własności plastycznych

- Obniża temperaturę topnienia

- Podwyższa wytrzymałość doraźną i granicę plastyczności

- obniża wydłużenie i przewężenie podczas rozciągania

- Umożliwia hartowanie stali

- zmniejsza przewodność cieplną i gęstość

- pogarsza spawalność stali

- powodując pęknięcia hartownicze

38. Przemiany zachodzące w punkcie eutektycznym i eutektoidalnym

W dwuskładnikowym układzie równowagi fazowej w przypadku przemiany eutektycznej mamy do czynienia z wtórną krystalizacją tzn. powstają kryształy (α, β) które są czystymi kryształami składników. Przemiana eutektoidalna przebiega analogicznie jak eutektyczna, z tym ze w równowadze w czasie reakcji pozostaje nie roztwór ciekły, lecz roztwór stały.

39. Przyczyny szerokiego stosowania stopów żelaza w praktyce

40. Procesy zachodzące w Wielkim Piecu

41. Utlenianie węgla znajdującego się w surówce i odtleniania stali

42. Składniki zwykłe, zanieczyszczenia i pierwiastki stopowe w metalach

Składniki zwykłe: Mn(mangan), Si (krzem) , Al (aluminium)

Zanieczyszczenia: S (siarka), P (fosfor), O (tlen), N (azot), H (wodór)

Pierwiastki stopowe: Mn (mangan), Si (krzem), Ni (nikiel), Cr (chrom), Mo (molibden), W (wolfram), V (wanad), Cu (miedź), B (bor)

43. Stale uspokojone i nieuspokojone

Uspokojone – zawierają pierwiastki o dużym powinowactwie do tlenu w takich ilościach, aby nastąpiło dalsze odtlenianie ciekłej stali, a nie zachodziła reakcja odtleniania drogą utleniania węgla we wlewnicy.
Nieuspokojone – minimalna ilość pierwiastków odtleniających powoduje intensywne odtlenianie we wlewnicy drogą reakcji węgla z tlenem rozpuszczonym w żelazie. Powstaje duża ilość pęcherzy gazowych.

44. Podział stali w zależności od przeznaczenia

45. Sposób znakowania stali
Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane są za pomocą znaku składającego się z: cyfr i liter.
Pierwsze dwie cyfry określają średnią zawartość węgla w setnych procentach. Litery oznaczają
pierwiastki stopowe. Liczby występujące za literami oznaczają zawartości składnika w stali. Stale o wyższych wymaganiach składu chemicznego oznacza się na końcu znaku literą A. Stale przetapiane elektrożużlowo oznacza się przez dodanie na końcu znaku stali Ż. Stale modyfikowane związkami chemicznymi litu, sodu lub wapnia i innymi oznacza się literą D. Według takich samych zasad, jak stale stopowe konstrukcyjne, oznacza się stale odporne na korozję i stale żaroodporne.