FAZA - jest to jednorodna część układu oddzielona od innych jego części(faz) powierzchnią rozdziału, czyli granicą fazy, po przekroczeniu której właściwości fizyczne czy też struktura zmieniają się w sposób nieciągły
GRANICA PLASTYCZNOŚCI - naprężenie, przy którym zachodzi płynięcie materiału, czyli wzrost wydłużenia przy stałym działaniu obciążenia ( Re=Fe/S0 ; Fe-siła obciążająca próbkę w granicy plastyczności)
GRANICA SPRĘŻYSTOŚCI - naprężenie, po przekroczeniu którego, powstają nieznaczne, rzędu 0,001-0,03% trwałe odkształcenia
MATERIAŁY AMORFICZNE - bezpostaciowe, odznaczają się chaotycznym, nieuporządkowanym, pozbawionym symetrii rozkładem przestrzennym cząstek materii. Cechuje je zmiana stanu skupienia(ciało stałe -> ciecz) przebiegająca przy ciągłej zmianie temperatury tj. bez wyraźnego zakresu temperaturowego przy obecności tylko jednej fazy oraz ciągłymi zmianami właściwości fizycznych. W budowie ciała amorficzne są zbliżone do cieczy, a nie do ciał stałych mimo, ze są ciałami stałymi.
MATERIAŁY NANOKRYSTALICZNE - to polikryształy o bardzo małych ziarnach, których wielkość w jednym kierunku nie przekracza 100nm. Zbudowane są z takich samych atomów jak ich mikrokrystaliczne lub monokrystaliczne odpowiedniki. Ze względu na duże rozdrobnienie ziaren w monokryształach spotykamy się z dużą wytrzymałością.
MATERIAŁY POLIKRYSTALICZNE - metale techniczne i ich stopy mają strukturę polikrystaliczną tzn. składają się z dużej liczby kryształów zwanych ziarnami. Pojedyncze ziarna również nie mają idealnej budowy krystalicznej, lecz zawierają defekty punktowe, liniowe i powierzchniowe. Większość substancji występujących w przyrodzie ma charakter polikryształu, gdyż do wytworzenia monokryształu potrzebne są szczególne warunki.
MODUŁ SPRĘŹYSTOŚCI: Prawo Hooke'a - podstawowe prawo rządzące sprężystością ciał. Jest to prawo doświadczalne podane przez Hooke'a już w roku 1675 i obowiązuje dla małych odkształceń. Prawo to mówi, ze stosunek naprężenia do związanego z nim odkształcenia jest wielkością stała dla danego materiału Є=Δl/l0 (Є-względny przyrost długości - zdefiniowany jako stosunek przyrostu długości do długości pierwotnej) Prawo Hooke'a przy wydłużeniach wyraża się wzorem: σ=E* Δl/l0 = E*Є, czyli E=σ/Є, gdzie σ-naprężenie, Є-względny przyrost długości, E-moduł sprężystości przy wydłużeniach zwany modułem Young'a. Jednostką modułu sprężystości jest Pascal[Pa], dla ułatwienia wyniki podajemy w GPa, natomiast gdy względny przyrost długości podany jest w mm to wynik podajemy w MPa
NAPRĘŻENIE - jest to stosunek siły do powierzchni na jaką ta siła działa (sigma σ=F/A [N/mm2 = MN/m^2 = MPa; F-siła, A-pole powierzchni) nieuporządkowany w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu rozpuszczalnika
ROZTWÓR STAŁY RÓŻNOWĘZŁOWY - atomy metalu rozpuszczonego zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika
PRZEWĘŻENIE - zmniejszenie przekroju próbki odmierzone do przekroju wyjściowego próbki wyrażone w procentach(Z=ΔS/S0 *100%); Materiały o małej zdolności do odkształcenia plastycznego, kruche, cechuje przewężenie od 0-10% natomiast cechą materiałów ciągliwych jest przewężenie rzędu 80-90%
ROZTWÓR STAŁY - stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze, jest rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym.
ROZTWÓR STAŁY MIĘDZYWĘZŁOWY - atomy pierwiastka rozpuszczonego są usytuowane w sposob
STRUKTURA - jest to sposób uporządkowania - większośc metali, w tym prawie wszystki, które mają zastosowanie najszersze w technice, krystalizuje w dwóch układach krystalograficznych: regularnym i heksagonalnym. Układ krystalograficzny, regularny - prymitywny, nie ma znaczenia, ponieważ w tej postaci występuje tylko 1 pierwiastek - polon ; Wyróżniamy także przestrzennie centrowane i ściennie centrowane oraz postać heksagonalną.
STRUKTURY: PERLIT - jest eutektoidalną mieszaniną dwóch faz: ferrytu i cementytu zawierająca 0,8% węgla i tworząca się w temperaturze 723°C zgodnie z przemianą γ=α+Fe3C. Dla ścisłości należy dodać, że przy ochładzaniu perlitu od temp 723°C do temp otoczenia. Swoją nazwę zawdzięcza perlistemu odcieniowi jaki posiada wypolerowany przekrój tej mieszaniny. Ma budowę ziarnistą. Złożony z płytek ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Stosunek grubości płytek ferrytu do płytek cementytu wynosi 7:1; LADEBURYT - jest eutektyką o zawartości 4,3% C tworząca się z roztworu ciekłego αc w temperaturze 1147°C zgodnie z przemianą: αc ->(γ+Fe3C). W temp powstania ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną dwóch faz austenitu(zawierającego 2,06% C) i cementytu. LADEBURYT PRZEMIENIONY - w temp 723°C austenit przemienia się w perlit i przy dolnym obniżeniu temperatury z ferrytu zawartego w perlicie wydziela się niewielka ilość cementytu trzeciorzędowego. W związku z tym, że poniżej temp 723°C ledeburyt stanowi już mieszaninę perlitu i cementytu, struktura ta nosi nazwę ledeburytu przemienionego.
TWARDOŚĆ - opór jaki stawia materiał podczas wciskania w niego innego materiału; Skala Mohsa - jest to skala od 1 do 10, gdzie 1 to materiał najbardziej miękki, a 10 najbardziej twardy; Wyróżniamy 3 metody pomiaru twardości: 1) Metoda Brinella - w badany element wciskamy zahartowaną kulkę. Pomiar twardości polega na pomiarze średnicy wgłębienia. Paramatery twardości w metodzie Brinella oznaczamy HB. Kulka, która wciskamy ma średnice od 1 do 10mm, natomiast siły wciskania wynoszą od 30000N do 300N. Metoda ta służy do badania materiałów miękkich. HB=0,204F/πD(D-pierw(D^2 - d^2) D-średnica kulki, d- średnica odcisku, F-siła ; im mniejszy odcisk tym większa twardość 2. Metoda Vickersa - twardość w skali Vickersa oznacza się HV(skala o zakresie od 80 do 700); metoda polega na wciskaniu diamentowego ostrosłupa o podstawie kwadratowej i kącie rozwarcia między ramionami 136°. Wciskamy z siłami od 50 do 1000N lub 0,02 do 2N. Mniejsze siły stosujemy do badania warstw. Twardość obliczamy ze wzoru: HV=0,189F/d^2 . Metoda stosowana do materiałów twardych i bardzo twardych. 3. Metoda Rockwella - wciskamy diamentowy stożek o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia 0,2mm. Wynik odczytujemy w skali HRC. Metoda jest łatwa w użyciu, ponieważ do odczytu stosujemy przyrządy, które same odczytują głębokość i określają twardość. Metoda ma dodatkową zaletę, mianowicie nie jest niszcząca, pozostawia jedynie małą skazę na badanym materiale. Metoda stosowana do badania twardych materiałów.
UDARNOŚĆ - materiały, które w praktyce zostaną poddane działaniu sił dynamicznych winny cechować się dużą udarnością. Pomiar udarności polega na zmierzeniu pracy jaką należy wykonać przy złamaniu próbki materiału. W celu zlokalizowania pęknięcia na przekroju próbki wykonuje się karb sięgający do 20% grubości próbki(karb musi być w kształcie litery U lub V). Parametr udarności oznaczamy: KCV - jeżeli karb ma kształt litery V; KCU - jeżeli karb ma kształt litery U. Wyniki próby udarności podaje się po przeliczeniu pracy na jednostkę powierzchni łamanego materiału [J/cm^2]. Dla standardowych próbek podaje się tylko pracę w [J]. Bardzo ciągliwe materiały charakteryzują się udarnością 300J/cm^2 natomiast kruche 10J/cm^2. Udarność zmniejsza się w temperaturach niskich i dla wielu stali temperatury przejścia w stan kruchy wynoszą od -20 do -10 stopni C co jest powodem licznych awarii urządzeń na mrozie; KarbU - próba Mesnegera; KarbV - próba Charpy'ego; Obie próby nie są porównywalne
UKŁAD Fe-Cementyt: FAZY: 1) FERRYT - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie α. Oznaczamy go symbolem α. Graniczna zawartość węgla w ferrycie w stanie równowagi w temp 20°C wynosi 0,008% i wzrasta w temperaturze 723°C do 0,02%. Natomiast w ferrycie wysokotemperaturowym może zawierać w temperaturze 1493°C do 0,1% C. Właściwości fizyczne i mechaniczne ferrytu są zbliżone do właściwości żelaza.; 2) AUSTENIT - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie γ i oznaczamy literą γ(gamma). Graniczna zawartość węgla w austenicie w temperaturze 1147°C wynosi 2,11%. W stopach żelaznych z węglem w stanie równowagi austenit występuje jedynie w temperaturach wyższych od 723°C. Faza miękka i plastyczna. 3) CEMENTYT - węglik żelaza, jest fazą między metaliczną o złożonej strukturze krystalizującej o układzie rombowym. Stosunek liczby atomów żelaza do atomów węgla wynosi 3:1 (Fe3C) co odpowiada wagowej zawartości węgla 6,67%. W temperaturze do 210°C cementyt jest ferromagnetycznym powyżej tej temperatury jest paramagnetyczny . Gęstość cementytu wynosi 6,7 g/cm3. Jest on fazą bardzo twardą (HB ok. 800) i kruchą.
UMOWNA GRANICA PLASTYCZNOŚCI - naprężenie, które wywołuje trwałe odkształcenie 0,2% długości pomiarowej. Wyznaczamy ją dla materiałów, które charakteryzują się dużą wytrzymałością a nie odznaczają się dużą plastycznością (R0,2=F0,2/S0 [MPa])
WADY BUDOWY KRSYTALICZNEJ w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wskazują, że najlepszymi wlasnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzymałość powinna przewyższać około 1000-krotnie wytrzymałość metali technicznych. Potwierdza to fakt, że bardzo duże własności uzyskują kryształy włoskowate tzw. wiskery to są monokryształy o jednej tylko dyslokacji śrubowej. Dążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak technicznie bardzo trudne. Natomiast praktyczna metoda umacniania metali polega na znacznym zwiększeniu gęstości wad budowy krystalicznej co można osiągnąć przez stosowanie stopów metali o strukturze polikrystalicznej w wyniku rozdrobnienia ziarn, wytwarzania faz o dużej dyspersji, a także przez zgniot wskutek odkształcenia plastycznego na zimno. Osiągnięciu tego celu sprzyjają więc procesy technologiczne odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej. Dokładnie nie da się określić wpływu, gdyż np. odkształcenia plastyczne materiałów krystalicznych jest zwykle realizowana dzięki przemieszczaniu się dyslokacji. Rzeczywista wytrzymałość metali zmniejsza się wraz ze zwiększeniem liczby dyslokacji i innych defektów sieciowych tylko do pewnego momentu, ponieważ gdy osiąga pewien poziom zaczyna wpływać pozytywnie i umacnia materiał np. zbyt duża ilość dyslokacji powoduje ich wzajemne blokowanie się. Wpływ defektów sieci na własności kryształów jest bardzo istotny - często znacznie większy niż wpływ typu sieci krystalicznej. Tak np. wakancje ułatwiają dyfuzję atomów a wiadomo, że dyfuzja jest podstawą prawie wszystkich procesów i przemian zachodzących w materiałach. Z kolei defekty liniowe (dyslokacje) ułatwiają odkształcanie metali i bez nich przeróbka plastyczna byłaby niemożliwa. Bardzo ważne są także granice ziarn jako defekty powierzchniowe , które są czynnikiem umacniającym materiał, ale w pewnych przypadkach mogą odgrywać negatywną rolę. Dlatego znajomość defektów i ich roli w różnych procesach jest bardzo ważna w nowoczesnym materiałoznawstwie.
WADY STRUKTURY KRYSTALICZNEJ MATERIAŁU: a) PUNKTOWE: * WAKANCJA - jest defektem powstałym w wyniku nieobsadzenia węzła sieci przez atom. Wskutek tego sąsiednie atomy przesuwają się w kierunku pustego miejsca, co wywołuje zniekształcenie sieci i wytwarza pole naprężeń rozciągające. * ATOM MIĘDZYWĘZŁOWY - jest to defekt, który polega na tym, że w sieci zbudowanej z identycznych atomów lub o zbliżonych średnicach jeden z atomów osnowy znajduje się między węzłami sieci (patrz rys.) Powoduje to przemieszczenie sąsiednich atomów z położeń równowagi na zewnątrz, wywołując pole naprężeń ściskających (a więc przeciwnie niż w przypadku wakancji). b)LINIOWE DYSLOKACJE: * DYSLOKACJA KRAWĘDZIOWA - krawędź półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej pomiędzy nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. Powoduje odkształcenie postaciowe i objętościowe. W zależności od położenia płaszczyzny krawędzi - dyslokacja dodatnia - gdy półpłaszczyzna leży przed płaszczyzną poślizgu oznaczamy ┴; dyslokacja ujemna - gdy półpłaszczyzna leży pod płaszczyzną poślizgu oznaczamy ┬. c) WADY POWIERZCHNIOWE - są to błędy ułożenia i granice międzyziarnowe i międzyfazowe; Dyslokacje mogą się przemieszczać przez poślizg albo wspinanie. Poślizg zachodzi w płaszczyźnie poślizgu, w kierunku wektora Burgersa i powoduje przesunięcie części kryształu względem drugiej cząstki . Poślizg zostaje zatrzymany np. na granicy bądź na przecięciu z inną linią dyslokacji. Wypinanie - wyrażane najczęściej wzrostem temperatury albo naprężeniem normalnym, ma charakter wolnego ruchu dyfuzyjnego.
WYDŁUŻENIE - przyrost długości próbki odniesiony do długości wyjściowej próbki, wyrażony w procentach (A=Δl/l0 *100%; Materiały o wysokiej plastyczności - wydłużenie powyżej 20%, materiały o niskiej plastyczności - wydłużenie osiąga do 2-3%)
WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE - stosunek największej siły rozciągającej uzyskanej w czasie próby rozciągania do pierwotnego przekroju poprzecznego tej próbki (Rm=Fm/S0)
WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA - najwyższy poziom cyklicznego naprężenia, który nie powoduje zniszczenia próbek poddanych badaniu do umownej, granicznej liczby cykli. Jeżeli materiał zostaje poddany działaniu sił zewnętrznych, które zmieniają się w sposób cykliczny tak, jak np. wał korbowy w silniku spalinowym to wzrasta niebezpieczeństwo zniszczenia obiektu i to przy znacznie niższych naprężeniach aniżeli przy jednokrotnym obciążeniu. Zmęczeniem materiału nazywa się zjawisko zmniejszenia jego wytrzymałości w wyniku wielokrotnych zmian obciążenia. Elementy konstrukcyjne w skutek zmęczenia ulegają pęknięciu. Na skutek cyklicznych zmian naprężenia, pęknięcie postępuje. Ognisko pęknięcia powstaje zazwyczaj w miejscu spiętrzenia naprężenia wywołanego nieciągłością kształtu (karbem) elementu konstrukcyjnego. Strzałki pokazują rozwój(kierunki) szczeliny. Próbki są polerowane i mają stały przekrój, następnie poddaje się je okresowo zmiennym obciążeniom o stałej amplitudzie. Rozróżnia się 3 podstawowe przypadki zmienności naprężenia I - naprężenia stałe w czasie; II - cykl tnący; III - cykl wahadłowy; Zależność między amplitudą naprężeń σ a liczbą N cykli zmian obciążenia, po których próbka ulegnie zniszczeniu zmęczeniowemu przedstawia tzw. Krzywa Wöhlera. Dla stali ustala się pewną stałą wartość naprężeń po 10^7 cyklach. Naprężenie to określa się jako dopuszczalne i nazywane jest wytrzymałością zmęczeniową. Powyższa prawidłowość nie dotyczy metali nieżelaznych i materiałów niemetalowych, dla których naprężenie niszczące maleje w sposób ciągły wraz ze wzrostem liczby cykli. Naprężenie to określa się jako odpowiadające dopuszczalnemu i nazywane jest wytrzymałością zmęczeniową. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że wytrzymałość zmęczeniowa stali jest połową wytrzymałości doraźnej, czyli Rz=0,5Rm. Bardziej dokładne zależności przewidują, że wytrzymałość zmęczeniowa zależy od wytrzymałości doraźnej oraz od plastyczności wyrażonej przewężeniem Rz=Rm(0,25 + 0,4Z). Aby podwyższyć wytrzymałość zmęczeniową należy jednocześnie podwyższyć Rm oraz Z co jest dość trudne.