KOLOS gr. 1

1. Co to jest dyfuzja, jakie są jej mechanizmy i co to są drogi ułatwionej dyfuzji? Która z dwóch próbek z identycznego materiału pierwsza o wielkości ziarna 100μm czy druga o wielkości ziarna 1mm będzie wykazywała większą dyfuzyjność i dlaczego?

Dyfuzja – proces rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji

między sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka.

Mechanizmy dyfuzji:

Dyfuzja objętościowa:

-dyfuzja międzywęzłowa

Pomiędzy atomami w sieci krystalicznej znajdują się wolne przestrzenie – luki. Małe atomy mogą dyfundować przeciskając się pomiędzy atomami sieci, przemieszczając się z jednej luki do innej. Tak dyfundują C, O, N, B, H.

-dyfuzja wakansowa gdy np. cynk dyfunduje w mosiądzu, jego atomy nie mieszczą się w lukach sieci, muszą więc czekać aż w ich sąsiedztwie pojawi się wakans i umożliwi przemieszczenie. Na tej zasadzie odbywa się większość dyfuzji w kryształach.

Drogi szybkiej dyfuzji:

- dyfuzja po granicach ziaren: granica ziaren stanowi plaski kanał o szerokości około 2 średnic atomowych, o lokalnej szybkości dyfuzji nawet 10^6 razy większej niż w krysztale.

- dyfuzja wzdłuż linii dyslokacji: linia dyslokacji również może działać jak kanał o dużym współczynniku dyfuzji, o przekroju 4b², gdzie b – wielkość atomu.

Wkład dwóch ostatnich do całkowitego strumienia dyfuzji zależy od powierzchni granic ziaren lub gęstości dyslokacji. Gdy ziarna są małe lub dyslokacje liczne, ich wkład jest bardzo ważny.

-

Z dwóch próbek, ta z wielkością ziarna 100 µm wykaże większą dyfuzyjność, gdyż zgodnie ze wzorem

$$\varepsilon_{\text{SS}} = C\frac{\text{Dσ}}{d^{2}}$$

szybkość dyfuzji zmienia się ze zmianą 1/d_­­² , gdzie d jest wielkością ziarna. Gdy d się zwiększa, dyfuzyjny transport odbywa się na dłuższej drodze, co wydłuża czas dyfundowania.

Ta odpowiedź jest poprawna (im mniejsze ziarno, tym łatwiejsza dyfuzja), ale nie wiem czy ten wzór się tu nadaje, bo pytanie jest o dyfuzję, a wzór wzięty z pełzania. Na wszelki wypadek zostawiam go.

2. Jakie są kryteria wyboru materiałów odpornych na pełzanie?

A) Stopy i ceramiki:

1. Dla prawa potęgowego

- Temperatura topnienia: ponieważ dyfuzja zależy od T/T_M, należy tak dobrać materiał, by temperatura pracy była mniejsza od 0,3 temperatury topnienia (T_M);

- Ruch dyslokacji: projektując materiał odporny na pełzanie potęgowe należy utrudnić ruch dyslokacji przez utworzenie roztworów stałych i i wydzieleń dyspersyjnych, które muszą być stabilne w temp. pracy materiału;

- Struktura sieci krystalicznej: należy dobrać taki materiał, by sieć stawiała największy opór, tzn. o wiązaniu kowalencyjnym.

2. Dla płynięcia dyfuzyjnego:

- Temperatura topnienia jak największa;

- Duże ziarna wydłużające drogę dyfuzji i ograniczające rolę mechanizmu dyfuzji po granicach ziaren;

- Obecność wydzieleń na graniach ziaren – ograniczenie poślizgu granic ziaren.

B) Polimery

- Możliwe najwyższa temperatura zeszklenia;

- Duży stopnień usieciowania;

- Zawierające długie włókna o większej odporności na pełzanie, które przenoszą obciążenia.

3. Wyjaśnij co jest powodem parabolicznej zależności szybkości utleniania w funkcji czasu.

Paraboliczna szybkość utleniania w funkcji czasu (coraz wolniejsze utlenianie się materiału) spowodowana jest powstawaniem na powierzchni warstwy tlenku, która, powiększając się, utrudnia dyfuzję cząsteczkom jeszcze nie utlenionym.

4.Co jest miarą podatności utleniania metali w suchym powietrzu? Wyjaśnij dlaczego utlenianie aluminium w suchym powietrzu przebiega wolniej niż utlenianie żelaza?

Miarą podatności na utlenianie metali w suchym powietrzu jest energia utleniania.

Aluminium ma niższą energię utleniania, co oznacza że jest na nie bardziej podatne. Na jego powierzchni bardzo szybko tworzy się warstewka tlenku Al₂O₃, który ma mały współczynnik dyfuzji i wyższą T_M, co jest kluczowe przy ochronie metalu przed dalszym utlenianiem. Żelazo wykazuje mniejszą podatność na utlenianie, warstwa ochronna powstaje wolniej. FeO ma też większy współczynnik dyfuzji i niższą temperaturę topnienia, czyli „przepuszcza” więcej nieutlenionych cząsteczek Fe. Dodatkowo opór elektryczny Al₂O₃ jest kilka rzędów większy niż opór FeO co utrudnia ruch elektronów.

5. Jakie zjawisko będzie zachodzić na powierzchni metalu, gdy objętość właściwa jego tlenku będzie mniejsza niż objętość właściwa metalu?

Tlenek będzie pękał zmniejszając odkształcenia własne, gdyż tlenki są zwykle bardzo kruche. Powstałe szczeliny i pęknięcia odsłonią metal i utlenianie będzie zachodziło dalej.

6. Jak przebiega tworzenie tlenku: na zewnątrz metalu czy w głąb metalu w wypadku gdy szybkość dyfuzji jonów metalu jest mniejsza od szybkości dyfuzji jonów tlenu?

Gdy szybkość dyfuzji jonów metalu jest mniejsza od szybkości dyfuzji jonów tlenu, zjawisko tworzenia tlenku zachodzi na granicy rozdziału metal-tlenek.

Pytanie jest chyba źle spisane, bo ani w książce, ani na wykładzie nie było mowy o powstawaniu warstwy „w głąb metalu”. Najwyżej na granicy metal-tlenek. Dajcie znać, jeśli jest inaczej.

7. Dlaczego korozja w ośrodkach wilgotnych zachodzi szybciej niż w suchym powietrzu?

• Warstwa tlenku osadza się za daleko od korodującego metalu lub jeśli się osadza ma postać luźnego osadu nie dającego ochrony

• Jony M⁺⁺ i OH+ dyfundują łatwo w ośrodku ciekłym

• w materiałach przewodzących elektrony przemieszczają się bardzo łatwo.

8. Na czym polega ochrona protektorowa?

Ochrona ta polega na utworzeniu ogniwa galwanicznego z metalu chronionego i innego, bardziej elektroujemnego (czyli o większym potencjale korozyjnym). Wtedy np. chroniona rura staje się katodą, a blok z magnezu anodą, co powoduje silne przyciąganie jonów Fe⁺⁺ w stali rurociągu.

9. Co to jest tarcie i dlaczego nie zależy od powierzchni tarcia?

Tarcie – zjawisko powstawania oporu podczas ruchu względnego dwóch stykających się ciał. Zależy od szorstkości powierzchni, rodzaju materiału, temperatury, obecności smaru.

Tarcie nie zależy od powierzchni, bo dwa ciała stykają się ze sobą w rzeczywistości na bardzo niewielkich powierzchniach wypukłości i każde obciążenie dociskające do siebie ciała będzie przenoszone jedynie w miejscach, gdzie stykają się te wypukłości (które występują zawsze, bo nie da się wykonać dowolnie gładkiej powierzchni), a więc jedynie przez mały ułamek tej powierzchni.

10. Na czym polega zużycie ścierne?

Fragmenty materiału, które uległy zużyciu adhezyjnemu, często odrywają się od nierówności powierzchni materiału w czasie jej poślizgu po innej powierzchni. Te oderwane fragmenty mogę się utleniać w środowisku smaru (zawierającego tlen by utrzymać barierę tlenkową między materiałami) tworząc twarde tlenki rysujące powierzchnie materiałów. Rysowanie może być także spowodowane obecnością piasku lub innych zanieczyszczeń.

KOLOS GR.2

1. Co to jest pełzanie i jakie są jego mechanizmy? Który z elementów wykonanych z materiałów o temperaturze topnienia 1500 stopni C pracujący pod obciążeniem w temp. 900 stopni C: pierwszy o wielkości ziarna ok 1mm czy drugi o wielkości ziarna dwudziestokrotnie większej będzie bardziej odporny na pełzanie?

Pełzanie jest to powolne, ciągłe odkształcenie materiału w czasie, które zależy nie tylko od naprężeń , ale również od temperatury I czasu.W przeciwieństwie do pełzania odkształcenie większości metali i ceramik w temp pokojowej praktycznie nie zachodzi. Przyjęło się określać pełzanie jako proces ‘wysokotemperaturowym’ , a pozostałe (odkształcenie sprężysto plastyczne ) jako ‘niskotemperaturowe’.

Zamiana na kelwiny:

1500 + 273 = 1773 K

900 + 273 = 1173 K

T/T_M = 1173/1773 = 0,66

Mamy zatem do czynienia z pełzaniem dyslokacyjnym (opisywanym przez prawo potęgowe), bo T/T_M < 0,7. Ziarno powinno być jak najmniejsze, by utrudnić ruch dyslokacji. Bardziej trwały będzie materiał o ziarnie wielkości 1 mm.

2. Jakie zjawisko będzie zachodzić na powierzchni metalu gdy objętość właściwa jego tlenku będzie mniejsza niż objętość właściwa metalu

Tlenek będzie pękał zmniejszając odkształcenia własne, gdyż tlenki są zwykle bardzo kruche. Powstałe szczeliny i pęknięcia odsłonią metal i utlenianie będzie zachodziło dalej.

3.Jak przebiega tworzenie tlenku na zewnątrz metalu czy w głąb metalu w wypadku gdy szybkość dyfuzji jonów metalu jest mniejsza od szybkości dyfuzji jonów tlenu?

Gdy szybkość dyfuzji jonów metalu jest mniejsza od szybkości dyfuzji jonów tlenu, zjawisko tworzenia tlenku zachodzi na granicy rozdziału metal-tlenek.

4.Co jest kryterium skłonności metali do korozji w ośrodkach wilgotnych?

W ośrodkach wilgotnych kryterium podatności na korozję jest potencjał korozyjny.

5. Dlaczego korozja w ośrodkach wilgotnych zachodzi szybciej niż w suchym powietrzu?

Korozja w środowisku wilgotnym jest związana z przepływem elektronów w przewodnikach. Utlenianie np. żelaza w napowietrzonej wodzie zachodzi z szybkością milion razy większą niż w suchym powietrzu, ponieważ

- Fe(OH)₂ osadza się za daleko od korodującego metalu lub ma postać luźnego osadu nie dającego ochrony

- jony M⁺⁺ i OH+ dyfundują łatwo w ośrodku ciekłym

- w materiałach przewodzących elektrony mogą się przemieszczać bardzo łatwo.

6. Na czym polega metoda ochrony przed korozją przez przyłożenie potencjału?

Na przykładzie rury:

W pobliżu rury zakopuje się złom stalowy, który jest z nią połączony elektrycznie przez baterię lub przez zasilacz

prądu stałego, utrzymujący taką różnicę potencjałów, aby złom był zawsze anodą, a rura

katodą(potencjał korozyjny żelaza wynosi nieco poniżej 1 V). Jest to skuteczny sposób

ochrony rury, ale wymaga dużego prądu do utrzymania tej różnicy potencjałów, chyba

żerura jest pokryta warstwą izolującą.

7. Co to jest tarcie i dlaczego współczynnik tarcia statycznego jest większy od współczynnika tarcia kinematycznego?

Tarcie – zjawisko powstawania oporu podczas ruchu względnego dwóch stykających się ciał. Zależy od szorstkości powierzchni, rodzaju materiału, temperatury, obecności smaru.

Tarcie kinematyczne jest mniejsze od statycznego, ponieważ w trakcie ślizgania się powierzchni czas, w ciągu którego mogą utworzyć się zbliżenia atom-atom w miejscach kontaktu między wypukłościami powierzchni, jest krótszy i odpowiednio mniejsza jest powierzchnia styku , na której zachodzi ścinanie. Po zatrzymaniu poślizgu powierzchnie styku zwiększają się wskutek pełzania materiału, a proces dyfuzji wzmacnia połączenie.

8. Na czym polega korzystne oddziaływanie tlenków na wartość współczynnika tarcia?

W przypadku niektórych metali złącze utworzone na wierzchołkach wypukłości pomiędzy

warstewkami tlenku ma mniejszą wytrzymałość na ścinanie niż sąsiadujący z nim metal. Wówczas

poślizg powierzchni występuje w warstwie tlenku przy naprężeniu mniejszym niż wystąpiłby w

metalu, powoduje to zmniejszenie współczynnika tarcia.

9. Co to jest tarcie i dlaczego nie zależy ono od powierzchni tarcia?

Zobacz odpowiedź w grupie pierwszej.

10. Co to jest zużycie adhezyjne?

Zużycie adhezyjne polega na odrywaniu fragmentów metalu na powierzchni styku dwóch ciał z bardziej miękkiego metalu (co zajdzie o ile ich adhezja – miara oddziaływań powierzchniowych – jest dostatecznie duża). Chropowatości sczepiają się, a potem ścinają. Oderwany fragment rysuje lub nawet powoduje kolejne ścinanie powierzchni bardziej miękkiego ciała.