FAZA-jednorodna część ukł.oddzielona
od innych jego części(faz) pow.rozdziału,
czyli granicą fazy, po przekroczeniu której
wł.fiz. czy też struktura zmieniają się w sposób nieciągły
GR.PLASTYCZNOŚCI-naprężenie, przy którym
zachodzi płynięcie materiału, czyli wzrost wydłużenia
przy stałym działaniu obciążenia ( Re=Fe/S0 ;
Fe-siła obciążająca próbkę w granicy plastyczności)
GR.SPRĘŻYSTOŚCI-naprężenie, po przekroczeniu
którego, powstają nieznaczne, rzędu 0,001-0,03% trwałe odkszt.
MAT.AMORFICZNE-bezpostaciowe, odznaczają się
chaotycznym, nieuporządkowanym, pozbawionym
symetrii rozkładem przestrzennym cząstek materii.
Cechuje je zmiana stanu skupienia(ciało stałe -> ciecz)
przebiegająca przy ciągłej zmianie temp. tj.bez wyraźnego
zakresu temp.przy obecności tylko jednej fazy oraz ciągłymi
zmianami właściwości fiz.W budowie ciała amorficzne są
zbliżone do cieczy, a nie do ciał stałych mimo, ze są ciałami stałymi.
MAT.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.
MAT.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-podst.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 stos.naprężenia
do związ. z nim odkszt.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-stosunek siły do pow.na jaką ta siła działa
(sigma σ=F/A [MN/m^2 = MPa; F-siła, A-pole powierzchni)
nieuporządkowany w przestrzeniach międzywęzłowych
sieci met.rozpuszczalnika
ROZTWÓR STAŁY RÓŻNOWĘZŁOWY-atomy
met.rozpuszczonego zajmują przypadkowo dowolne
węzły w sieci krystalicznej met.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 wł.typowo
metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w
przewadze, jest rozpuszczalnikiem.Drugi składnik jest
nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym.
STRUKTURA-jest to sposób uporządkowania-większośc met.
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 zaw.0,8% węgla i
tworząca się w temp. 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 zaw.4,3%C tworząca się z
roztworu ciekłego αc w temp.1147°C zgodnie z przemianą:
αc ->(γ+Fe3C).W temp.powstania ledeburyt jest mieszaniną
eutektyczną dwóch faz austenitu(zaw.2,06%C) i cementytu.
LADEBURYT PRZEMIENIONY - w temp 723°C austenit przemienia
się w perlit i przy dolnym obniżeniu temp 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 mat.podczas wciskania w
niego innego mat.;Skala Mohsa-jest to skala 1-10,
gdzie 1 to mat. najbardziej miękki,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 temp.723°C do 0,02%.
Natomiast w ferrycie wysokotemp.może zawierać w temp.1493°C
do 0,1% C. Właściwości fiz. i mech. ferrytu są zbliżone do
właściwości żelaza.;2)AUSTENIT -jest międzywęzłowym
roztworem stałym węgla w żelazie γ i oznaczamy literą
γ(gamma). Graniczna zaw.węgla w austenicie w temp.1147°C
wynosi 2,11%.W stopach żelaznych z węglem w stanie równowagi
austenit występuje jedynie w temp.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 zaw.węgla 6,67%.
W temp.do 210°C cementyt jest ferromagnetycznym powyżej
tej temp.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,OP 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
temp.albo naprężeniem normalnym, ma charakter wolnego
ruchu dyfuzyjnego.
WYDŁUŻENIE-przyrost długości próbki odniesiony do
długości wyjściowej próbki, wyrażony w %
(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.