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 międzyatomowa( Dyfuzja międzywęzłowa)
Pomiędzy atomami w sieci krystalicznej znajdują się wolne przestrzenie – luki. Małe atomy mogą dyfundować przeciskając się pomiędzy atomami sieci, przemieszczjac się z jednej luki do innej.
-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,
-dyfuzja po granicach ziaren -dyfuzja w materiałach krystalicznych może ulec przyspieszeniu wzdłuż granicy ziaren lub lini dyslokacji. Granica ziaren stanowi plaski kanal o szerokości około 2 srednic atomowych, o lokalnej szybkości dyfuzji nawet 10^6 razy większej niż w krysztale.
Z dwóch próbek , ta z wielkością ziarna 100um wykaze większą dyfuzyjność gdyż zgodnie ze wzorem szybkość dyfuzji zmienia się ze zmianą 1/d^2 , gdy d się zwiększa to dyfuzyjność rośnie.
2. Jakie są kryteria wyboru materiałow odpornych na pełzanie?
Kryteria doboru materiałow odpornych na pełzanie:
Materiał musi mieć wysoką temperaturę topnienia. Jeśli materiał będzie eksploatowany w temperaturze niższej od 0,3 temperatury topnienia (K), pełzanie nie będzie stanowiło problemu.
Projektowanie stopów metalowych odpornych na pełzanie
Gdybyśmy musieli dobrać lub zaprojektować materiał odporny na pełzanie, należałoby
postąpić w następujący sposób:
a) Wybrać materiał o wysokiej temperaturze topnienia, ponieważ dyfuzja (i szybkość
pełzania) zależą od T/TM;
b) Maksymalnie utrudnić ruch dyslokacji przez utworzenie roztworów stałych i wytworzenie
wydzieleń dyspersyjnych; wydzielenia muszą oczywiście być stabilne w temperaturze
pracy materiału;
c) Wybierać, o ile to możliwe, materiał o typie sieci krystalicznej stwarzającej największy
opór, to znaczy o wiązaniu kowalencyjnym (tak, jak to jest w większości tlenków,
w krzemianach, węgliku krzemu, azotku krzemu i podobnych związkach).
3. Wyjaśnij co jest powodem parabolicznej zależności szybkości utleniania w funkcji czasu.
Paraboliczna szybkość utleniania w funkcji czasu wynika z coraz wolniejszego utleniania się materiału, spowodowane jest to narastającą warstwą tlenku, która utrudnia kontakt atomów metalu z powietrzem.
4.Co jest miarą podatności utleniania metali w suchym powietrzu? Wyjaśnij dlaczego utlenianie aluminium w suchym powietrzu przebiega wolniej niż utlenianie żelaza?
Jeżeli nagrzejemy kawałek wypolerowanego żelaza w płomieniu gazowym, na
powierzchni metalu, gdzie atomy tlenu i żelaza mogą się kontaktować, tlen z powietrza będzie
reagował z żelazem, tworząc cienką warstewkę tlenku żelaza na powierzchni (powodując
jej sczernienie). Na początku grubość warstewki tlenków rośnie szybko, a następnie coraz
wolniej, ponieważ atomy żelaza, zanim będą mogły wejść w kontakt i reagować z tlenem,
muszą przedyfundować przez już utworzoną warstewkę tlenków.
Warstewka tlenków działa jak bariera, która oddziela atomy tlenu i żelaza i zmniejsza
szybkość, z którą te atomy reagują, tworząc więcej tlenku żelaza. Aluminium i większość
innych materiałów, tworzą bariery w postaci warstwek tlenków w taki sam sposób, ale
warstewka tlenków na aluminium jest znacznie bardziej efektywną barierą aniżeli
warstewka tlenków na żelazie.
Utlenianie zachodzi przez przyłączanie atomów tlenu do powierzchni materiału, masa
materiału zwiększa się zwykle proporcjonalnie do ilości materiału, który się utlenił.
Ten wzrost masy, Dm, może być rejestrowany w sposób ciągły w zależności od czasu t
5. Jakie zjawisko będzie zachodzić na powierzchni metalu, gdy objętość właściwa jego tlenku będzie mniejsza niż objętość właściwa metalu?
W przypadku, gdy objętość właściwa tlneku jest mniejsza od objętości właściwej metalu, na jego powierzchni zachodzi zjawisko utleniania, korozji.
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 tlenu zachodzi na zewnątrz metalu, tlenki przedostają się z głębi materiału na zewnątrz. . Na początku grubość warstewki tlenu rośnie szybko , a następnie wolniej, ponieważ atomy metalu, zanim będą mogły wejść w kontakt i reagować z tlenem , będą musiały przedyfundować przez utworzoną warstewkę tlenu.
7. Dlaczego korozja w ośrodkach wilgotnych zachodzi szybciej niż w suchym powietrzu?
Korozja w środowisku wilgotnym jest związana z przepływem elektronów w przewodnikach.
• Warstwa tlenku osadza się za daleko od korodującego metalu lub jeśli się osadza ma postać luźnego osadu nie dającego ochrony.
• Jony OH+ dyfundują łatwo w ośrodku ciekłym
• w materiałach przewodzących elektrony przemieszczają się bardzo łatwo.
8. Na czym polega ochrona protektorowa?
Ochrona ta polega na wytworzeniu różnicy potencjału między metalami, tak aby jeden był katodą, a drugi anodą. Materiał będący katodą nie będzie korodował. (np. potencjał korozyjny żelaza wynosi nieco poniżej 1 V).
Na przykładzie rury:
Jeżeli stalową rurę połączymy z płytą metalu o bardziej ujemnym potencjale w szeregu
napięciowym metali ,, to para taka utworzy ogniwo galwaniczne. Bardziej
elektroujemny metal staje się anodą (i rozpuszcza się), a rura staje się katodą (i jest
chroniona).
9. Co to jest tarcie i dlaczego nie zależy od powierzchni tarcia?
Tarcie występuje na powierzchni styku ciał, działanie siły tarcia obserwujemy próbując przesunąć względem siebie stykające się ciała. Siła potrzebna do zapoczątkowania poślizgu zależy od siły normalnej i współczynnika tarcia. Powierzchnia styku nie ma znaczenia ponieważ jest bardzo mała, wynika to z falistości materiału (nie ma możliwości stworzenia idealnie gładkiej powierzchni). Dwa ciała stykają się ze sobą w rzeczywistości w bardzo niewielkich powierzchniach szczytów falistości. Każde obciążenie dociskające do siebie powierzchnie będzie przenoszone jedynie w miejscach, gdzie stykają się ich wypukłości, a więc jedynie mały ułamek powierzchni przeniesie to obciążenie.
10. Na czym polega zużycie ścierne?
. Fragmenty materiału, które uległy zużyciu adhezyjnemu, często odrywa ją się od
nierówności powierzchni materiału w czasie jej poślizgu po innej powierzchni, które utleniając się tworzą twarde tlenki powodujące ścieranie się materiału. Ścieranie materiału wynika również z występowania zanieczyszczeń (np. piasku, spalin).
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’.
Materiał o większej wielkości ziarna będzie bardziej odporny na pełzanie, ponieważ duże ziarna wydłużą czas dyslokacji oraz ograniczą mechanizm dyfuzji po granicach ziaren.
2. Jakie zjawisko będzie zachodzić na powierzchni metalu gdy objętość właściwa jego tlenku będzie mniejsza niż objętość właściwa metalu
Zjawisko utleniania, korozji.
3.Jak przebiega tworzenie tlenku na zewnątrz matalu 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 tlenu zachodzi na zewnątrz metalu, tlenki przedostają się z głębi materiału na zewnątrz. . Na początku grubość warstewki tlenu rośnie szybko , a następnie wolniej, ponieważ atomy metalu, zanim będą mogły wejść w kontakt i reagować z tlenem , będą musiały przedyfundować przez utworzoną warstewkę tlenu.
4.Co jest kryterium skłonności metali do korozji w ośrodkach wilgotnych?
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 albo za daleko od korodującego metalu , lub jeśli się osadza to ma postać lużnego osadu nie dającego ochrony
-jony OH+ dyfundują łatwo w ośrodku ciekłym
-w materiałach przewodzących elektrony mogą się przemieszczać bardzo łatwo.
5. Dlaczego korozja w ośrodkach wilgotnych zachodzi szybciej niż w suchym powietrzu?
Korozja w środowisku wilgotnym jest związana z przepływem elektronów w przewodnikach.
• Warstwa tlenku osadza się za daleko od korodującego metalu lub jeśli się osadza ma postać luźnego osadu nie dającego ochrony.
• Jony OH+ dyfundują łatwo w ośrodku ciekłym
• w materiałach przewodzących elektrony przemieszczają się 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
że rura jest pokryta warstwą izolującą.
7. Co to jest tarcie i dlaczego współczynnik tarcia statycznego jest większy od współczynnika tarcia kinematycznego?
Tarcie jest zjawiskiem, które występuje na powierzchniach styku ciał materialnych. Działanie siły tarcia obserwujemy wtedy, gdy próbujemy przesunąć względem siebie stykające się ciała. Siła potrzebna do rozpoczęcia poślizgu Fs zależy od siły P normalnej do powierzchni styku w sposób następujący: Fs= * P , gdzie - wsp tarcia.
Po zapoczątkowaniu poślizgu, siła graniczna tarcia maleje nieznacznie i możemy napisać:
: Fk= * P
wsp tarcia statycznego jest większy od kinematycznego ponieważ Fs zależy od siły dociskającej a nie od powierzchni styku, po zapoczątkowaniu poślizgu siła graniczna tarcia maleje a wraz z nią wsp tarcia kinematycznego.
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?
Tarcie występuje na powierzchni styku ciał, działanie siły tarcia obserwujemy próbując przesunąć względem siebie stykające się ciała. Siła potrzebna do zapoczątkowania poślizgu zależy od siły normalnej i współczynnika tarcia. Powierzchnia styku nie ma znaczenia ponieważ jest bardzo mała, wynika to z falistości materiału (nie ma możliwości stworzenia idealnie gładkiej powierzchni). Dwa ciała stykają się ze sobą w rzeczywistości w bardzo niewielkich powierzchniach szczytów falistości. Każde obciążenie dociskające do siebie powierzchnie będzie przenoszone jedynie w miejscach, gdzie stykają się ich wypukłości, a więc jedynie mały ułamek powierzchni przeniesie to obciążenie.
10. Co to jest zużycie adhezyjne?
Zużycie adhezyjne polega na lokalnym sczepieniu metalicznym (adhezji) powierzchni trących w
mikroobszarach dkształcenia plastycznego warstwy wierzchniej, a zwłaszcza najwyższych
wierzchołków chropowatości zbliżonych na odległość działania sił molekularnych I następnym ich
rozrywaniu związanym z odrywaniem cząstek metalu lub jego rozmazywaniem na powierzchniach
tarcia. Zużycie adhezyjne występuje przy styku dwóch powierzchni metali, charakteryzujących się
dużym powinowactwem chemicznym.