PODSTAWY MATERIAŁOZNAWSTWA

Wstęp

1. Wiązania metaliczne (pierwotne między atomami)

- bezkierunkowe, silne, ruchliwy gaz elektronów swobodnych, wysoki stopień upakowania

- Materiały: plastyczność, nieprzezroczystość, połysk metaliczny, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, zdolność do emisji termo- i fotoelektronowej.

1. Wiązania jonowe (pierwotne między atomami)

- bezkierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych

- Materiały: duża oporność elektryczna i cieplna, przezroczystość, wysoka temperatura topnienia, wysoka twardość, kruchość.

1. Wiązania kowalencyjne (pierwotne między atomami) (np. diament)

- kierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych, niski stopień upakowania

- Materiały: duża oporność elektryczna, przezroczystość, bardzo wysoka temp. topnienia, wysoka twardość, kruchość.

1. Stan krystaliczny materiału

- atomy lub cząsteczki ułożone są względem siebie w sposób regularny zachowując

przestrzenną symetrię względem punktu, prostej i płaszczyzny,

- każdy atom ma jednakową liczbę najbliższych i równoodległych sąsiadów

(liczba koordynacji - lk ),

- atomy są ułożone w okresowo powtarzających się odstępach w trzech nierównoległych i

nie leżących w jednej płaszczyźnie kierunkach (sieć krystaliczna)

1. Stan amorficzny (szklisty) materiału

- stan szklisty jest stanem pośrednim pomiędzy stanem ciekłym a stałym (krystalicznym)

- teoretycznie, gdy szybkość ochładzania jest dostatecznie duża, każda ciecz może przejść w stan szklisty

- jeżeli struktura krystaliczna powstaje z trudnością w strukturze przechłodzonej cieczy (z powodu złożonej konfiguracji cząstek lub zbyt małej ruchliwości atomów i cząsteczek), wówczas lepka ciecz przechodzi stan szklisty, tzn. twardnieje i sztywnieje bez udziału krystalizacji (występuje tylko uporządkowanie bliskiego zasięgu)

- temperatura, w której lepkość cieczy osiągnie wartości około 10⁴-10⁶ Nsm^-2, związana z wyraźnym wzrostem sztywności, nazywana jest temperaturą zeszklenia T_g

- stan szklisty materiału nie jest stanem równowagi (proces krystalizacji został tylko powstrzymany)

- w niektórych materiałach (np. polimery) stan lepkiej cieczy jest oddzielony od stanu szklistego stanem wysokoplastycznym (kauczukopodobnym) – mniejsza sztywność i odwracalność odkształceń

- przykłady: polimery o łańcuchach ataktycznych, silnie rozgałęzionych, usieciowanych przestrzennie; nieskrystalizowane ceramiki (szkła); szkła metaliczne

1. Polimorfizm (alotropia) materiału

- cecha wielu metali: pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia wykazują skłonność do przebudowy sieci krystalicznej

- odmiany różniące się budową krystaliczną noszą nazwę alotropowych

- odmiany alotropowe często różnią się własnościami fizycznymi, chemicznymi, strukturą i własnościami wytrzymałościowymi

1. Anizotropia kryształu (monokryształu)

- charakterystyczna cecha kryształów odróżniająca je od mat. niekrystalicznych: zależność ich własności od kierunku krystalograficznego, w którym dana własność jest badana

- wiąże się z gęstością ułożenia atomów niejednakową we wszystkich kierunkach

- własności anizotropowe: wytrzymałość, twardość, wydłużenie, moduł sprężystości, wł. fizyczne (optyczne, magnetyczne, elektryczne i cieplne)

1. Quasi-izotropia polikryształu

- polikryształy składają się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną

- polikryształy składają się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną

- przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziaren w metalach polikrystalicznych decyduje o niemal jednakowych własnościach tych materiałów w różnych kierunkach -> quasi-izotropia

- wzrost wielkości ziaren znacznie wpływa na zwiększenie anizotropii własności metalu

1. Tekstura w polikrysztale

- odkształcenia (np. włóknista w drucie, płaska w blasze),

- wzrostu (kryształów w odlewach), - rekrystalizacji,

Defekty punktowe i liniowe w materiałach krystalicznych

1. Wakans (defekt punktowy) w krysztale

- powstaje 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

- może powstawać samorzutnie w wyniku drgań cieplnych atomów

- ilość (stężenie) wakansów opisuje logarytmiczna funkcja rozkładu Boltzmanna

1. Odkształcenie plastyczne w metalach

- zmiana zewnętrznego kształtu metalu pod wpływem działania sił zewnętrznych bez de kohezji, tj. pęknięć i rozwarstwień

- dwa mechanizmy: przez poślizg i bliźniakowanie

1. Linie i pasma poślizgu w kryształach metali

- linia poślizgu: ślad przecięcia się aktywnej płaszczyzny poślizgu z powierzchnią próbki (po wyjściu na nią dyslokacji); zwykle na powierzchni odkształconego monokryształu obserwuje się dużą ilość blisko położonych linii poślizgu, które przy obserwacji pod małym powiększeniem zlewają się, tworząc pasmo poślizgu

1. Płaszczyzny i kierunki łatwego poślizgu w sieciach krystalicznych metali

- płaszczyzna łatwego poślizgu: płaszczyzna krystalograficzna o największym wypełnieniu atomami

- kierunek poślizgu – kierunek krystalograficzny w którym atomy się ze sobą stykają (najgęściej wypełniony)

1. Dyslokacja krawędziowa w krysztale

- krawędź ekstra płaszczyzny, tj. półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej

- w zależności od położenia dodatkowej półpłaszczyzny dyslokacje mogą być dodatnie ┴ lub ujemne ┬

- wokół dyslokacji krawędziowej występuje jednocześnie postaciowe i objętościowe odkształcenie kryształu

1. Dyslokacja śrubowa w krysztale

- defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej

- wektor Burgersa b jest równoległy do jej linii

- wokół dyslokacji śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształcenie sieci krystalicznej

- mogą być prawoskrętne i lewoskrętne

1. Energia dyslokacji

- energia odkształceń sprężystych sieci E= α G b² (α – stała zależna od rodzaju dyslokacji, G – moduł Kirchoffa (stała sprężystości materiału), b – wektor Burgersa)

1. Ruch dyslokacji w krysztale

- poślizg (gdy w płaszczyźnie poślizgu występują naprężenia styczne)

- wspinanie (pod wpływem naprężeń normalnych do ekstra płaszczyzny) – ruch dyfuzyjny

1. Spiętrzenie dyslokacji przed przeszkodą

- wzrost oporu przeciwko dalszemu poślizgowi dyslokacji

1. Efekt umocnienia w wyniku spiętrzenia dyslokacji

- umocnienie – zjawisko wzrostu twardości i wytrzymałości oraz pogorszenie plastyczności

jest wynikiem spiętrzeń dyslokacji przed przeszkodami (granice ziaren, wydzielenia innych

faz, krzyżowanie się aktywnych systemów poślizgu, itd.)

1. Gęstość dyslokacji w polikrysztale metalu – wpływ na własności

- całkowita długość linii dyslokacji przypadająca na jednostkę objętości kryształu

- mała gęstość: materiał wyżarzony

- duża gęstość: materiał silnie zgnieciony – zmniejszone odległości między dyslokacjami – umocnienie (wzrost wytrzymałości i twardości)

Defekty płaskie w materiałach krystalicznych

1. Granice ziarn (między ziarnami tej samej fazy),

2. Wąskokątowa granica ziarn (małego kąta),

3. Energia granic wąskokątowych,

4. Szerokokątowa granica ziarn (dużego kąta),

5. Energia granic szerokokątowych,

6. Bliźniacze granice ziarn,

7. Energia granic bliźniaczych,

8. Bliźniakowanie w kryształach,

9. Koherentna granica międzyfazowa (miedzy ziarnami różnych faz),

10. Półkoherentna granica międzyfazowa,

11. Niekoherentna granica międzyfazowa,

12. Energia granic międzyfazowych,

13. Kształt wydzieleń drugiej fazy wewnątrz ziarn pierwszej fazy (osnowy),

14. Kształt wydzieleń drugiej fazy na granicach ziarn pierwszej fazy,

Rodzaje faz stałych w stopach

1. Warunki powstawania roztworu stałego podstawowego,

2. Warunki powstawania fazy pośredniej, np. międzymetalicznej,

3. Sieć krystaliczna w roztworach stałych podstawowych (ogólnie),

4. Sieć krystaliczna w fazach pośrednich, np. międzymetalicznych (ogólnie),

5. Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w roztworze stałym podstawowym,

6. Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w fazie pośredniej, np. międzymetalicznej,

7. Własności roztworu stałego podstawowego są wynikiem:

8. Własności fazy pośredniej, np. międzymetalicznej są wynikiem:

Wykresy równowagi fazowej

1. Liczba stopni swobody (reguła faz Gibasa) i jej wpływ na kształt krzywych chłodzenia i nagrzewania,

2. Maksymalna liczba współistniejących w równowadze faz w układzie jedno- i dwuskładnikowym,

3. Nieograniczona rozpuszczalność składników stopu w układzie dwuskładnikowym A-B,

4. Ograniczona rozpuszczalność składników stopu w układzie dwuskładnikowym A-B,

5. Wydzielanie fazy drugorzędowej (przyczyny, miejsce w strukturze, wpływ na własności),

6. Przemiana eutektyczna w układzie dwuskładnikowym,

7. Eutektyka (definicja, struktura, własności),

8. Struktura i własności stopu przedeutektycznego lub zaeutektycznego (układ dwuskładnikowy),

Przemiany fazowe

1. Energia swobodna F (Hemholtza) – uniwersalne kryterium równowagi,

2. Energia wewnętrzna E w wyrażeniu na energię swobodną,

3. Człon TS w wyrażeniu na energię swobodną (druga zasada termodynamiki),

4. Warunek konieczny przemiany fazowej, np. krzepnięcia,

5. Wielkość krytyczna zarodka (zarodkowanie jednorodne) zależy od:

6. Energia aktywacji przemiany (konieczna do pokonania bariera energetyczna),

7. Szybkość zarodkowania (LZ) – dlaczego krzywa LZ = f(ΔT) ma maksimum,

8. Kiedy zachodzi przypadek zarodkowania niejednorodnego,

9. Warunek aktywności (katalitycznego działania) podkładki,

10. Modyfikowanie przemian fazowych – dwa sposoby działania modyfikatorów,

11. Liniowa szybkość wzrostu kryształu (drugi etap krystalizacji) zależy od:

12. Parametry i kształt krzywej kinetyki krystalizacji,

13. Od jakich parametrów i czynników zależy wielkość ziarna po krystalizacji,

14. Krystalizacja dendrytyczna zachodzi gdy:

15. Segregacja dendrytyczna polega na:

Układ żelazo-cementyt

1. Odmiany alotropowe czystego żelaza,

2. Ferryt – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C,

3. Austenit – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C,

4. Cementyt – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C,

5. Przyczyna wydzielania się cementytu trzeciorzędowego – zakres występowania jako fazy strukturalnie wolnej,

6. Przyczyna wydzielania się cementytu trzeciorzędowego – zakres występowania jako fazy strukturalnie wolnej,

7. Przemiana alotropowa (temperatura A₃) w stopach układu Fe-Fe₃C,

8. Przemiana eutektoidalna (temperatura A₁) w stopach układu Fe-Fe₃C,

9. Perlit – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własności,

10. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,01 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

11. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

12. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,4 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

13. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,6 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

14. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,8 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

15. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 1,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

16. Przemiana eutektyczna (temperatura 1147 ^oC) w stopach układu Fe-Fe₃C,

17. Ledeburyt – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje),

18. Ledeburyt przemieniony – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własności,

19. Struktura i własności żeliwa białego przedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

20. Struktura i własności żeliwa białego eutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

21. Struktura i własności żeliwa białego zaedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

Żeliwa z grafitem (żeliwa szare)

1. Grafit i jego wpływ na właściwości żeliw – porównanie wpływu kształtu wydzieleń grafitu,

2. Modyfikowanie żeliw z grafitem - cel stosowania oraz grupy i działanie modyfikatorów (ogólnie),

3. Steadyt (eutektyka fosforowa) – budowa, wpływ na własności,

4. Wpływ osnowy ferrytycznej na własności żeliw z grafitem (przy tej samej postaci grafitu),

5. Wpływ osnowy perlitycznej na własności żeliw z grafitem (przy tej samej postaci grafitu),

6. Wpływ zawartości węgla i krzemu na grafityzację i osnowę metaliczną żeliw z grafitem,

7. Wpływ grubości ścianki odlewu (tzn. szybkości chłodzenia) na strukturę żeliw z grafitem,

8. Porównanie własności żeliw z grafitem (płatkowym lub sferoidalnym) z własnościami stali i staliwa,

Stopy aluminium

1. Aluminium i jego stopy w porównaniu z żelazem i stopami żelaza charakteryzuje się:

(porównanie temperatury topnienia, gęstości, modułu Younga, wytrzymałości, odporności na korozję, itp.)

1. Podwyższanie wytrzymałości w stopach Al do obróbki plastycznej nie utwardzanych wydzieleniowo,

2. Idea metody utwardzania wydzieleniowego stopów Al do obróbki plastycznej polega na:

3. Wytrzymałość i ciągliwość stopów odlewniczych Al-Si (siluminów) zależy od:

4. Struktura siluminów przedeutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si),

5. Struktura i własności siluminów eutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si),

6. Struktura i własności siluminów przedeutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si),

7. Struktura i własności siluminów zaeutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si),

8. Modyfikowanie siluminów przedeutektycznych ma na celu:

9. Stopy Al z miedzią jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

10. Stopy Al z magnezem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

11. Stopy Al z cynkiem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

12. Stopy Al z litem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

Polimery

1. Makrocząsteczka polimeru o strukturze liniowej,

2. Makrocząsteczka polimeru o strukturze rozgałęzionej,

3. Makrocząsteczka polimeru i strukturze przestrzennie usieciowanej,

4. Polimer w stanie amorficznym (bezpostaciowym),

5. Polimer w stanie krystalicznym (częściowo krystalicznym),

6. Polimery termoplastyczne (termoplasty),

7. Duroplasty (chemo- lub termoutwardzalne),

Kompozyty o osnowie polimerowej

1. Porównanie własności włókien szklanych oraz włókien węglowych,

2. Porównanie modułu Younga stali, stopów Al, włókien szklanych i węglowych,

3. Porównanie własności kompozytów wzmacnianych włóknami krótkimi oraz ciągłymi,

4. Porównanie cech kompozytów o osnowie termoplastycznej oraz duroplastycznej (wzmocnienia włóknami),

5. Formowanie kompozytów metodą BMC (bulk molding compounds),

6. Formowanie kompozytów metodą SMC (sheet molding compounds),

Kompozyty o osnowie metalowej

1. Najczęściej stosowana osnowy metaliczne w kompozytach MMCs (metal-matrix composites),

2. Najczęściej stosowane wzmocnienia w kompozytach MMCs (metal-matrix composites),

3. Najczęściej stosowane metody formowania kompozytów MMCs (metal-matrix composites),

4. Porównanie wad i zalet stopów odlewniczych Al (siluminów) oraz kompozytów wzmacnianych cząstkami

SiC na osnowie tych stopów,

1. Dlaczego kompozyty MMCs wzmacniane włóknami, szczególnie ciągłymi nie są jeszcze powszechnie

stosowane,

Materiały ceramiczne

1. Cechy (właściwości) charakterystyczne materiałów ceramicznych:

2. Kruchość materiałów ceramicznych jest efektem:

3. Mikrostruktura ceramiki inżynierskiej

4. Do materiałów ceramicznych zaliczamy:

5. Tlenek aluminium Al₂O₃ charakteryzuje się:

6. Tlenek cyrkonu ZrO₂ charakteryzuje się:

7. Podwyższanie odporności na pękanie ceramiki Al₂O₃ wydzieleniami ZrO₂ polega na:

8. Węglik krzemu SiC charakteryzuje się:

9. Mechanizmy wzmocnienia ceramicznych materiałów kompozytowych,

10. Porównanie charakterystycznych właściwości metali i materiałów ceramicznych,

Podstawy obróbki cieplnej stopów żelaza

1. Samorzutny proces rozrostu ziarna austenitu – stale gruboziarniste i drobnoziarniste,

2. Dyfuzyjna przemiana austenitu w perlit – wpływ przechłodzenia na morfologię i własności perlitu,

3. Przemiana martenzytyczna – uwarunkowania i cechy charakterystyczne przemiany,

4. Definicja i własności martenzytu – wyjaśnienie przyczyn własności, wpływ zawartości węgla,

5. Austenit nieprzemieniony (szczątkowy) – przyczyny i konsekwencje występowania,

6. Przemiany odpuszczania – odpuszczanie niskie, średnie i wysokie; struktury, własności, zastosowanie,

Stale konstrukcyjne

1. Ogólne wymagania stawiane stalom konstrukcyjnym,

2. Uzasadnienie zawartości węgla w stalach konstrukcyjnych,

3. Sposoby podwyższania wytrzymałości stali konstrukcyjnych,

4. Stale konstrukcyjne trudnordzewiejące (typu CORTEN) – wyjaśnienie zjawiska, zastosowanie,

Stale maszynowe

1. Ogólne wymagania stawiane stalom maszynowym,

2. Uzasadnienie zawartości węgla oraz główna rola dodatków stopowych,

3. Uzasadnienie najczęściej stosowanej obróbki cieplnej,

4. Kryteria doboru stali maszynowych,

Stale odporne na korozję elektrochemiczną (nierdzewne i kwasoodporne)

1. Główny dodatek stopowy – przyczyny konieczności jego stosowania w dużych ilościach,

2. Nikiel jako dodatek stopowy – przyczyny jego stosowania mimo bardzo wysokiej ceny,

3. Możliwe do uzyskania struktury w tej grupie stali (podstawa klasyfikacji) – zalety i wady,

4. Korozja międzykrystaliczna w tej grupie stali – przyczyny i konsekwencje,

Bogumił Ziółkowski