1. Podział materiałów ze względu na rozmieszczenie atomów, jonów i cząsteczek w przestrzeni. a) materiały posiadające sieć krystaliczną-metale i ich stopy, atomy ułożone są w sposób uporządkowany tworząc sieć krystaliczną: -Regularnie Ściennie Centrowaną RSC(A1)-(Al.,Fe-?, Au, Pt) -Regularnie Przestrzennie Centrowaną RPC(A2)-(Fe-?, Mo, Mb) -Heksagonalna Zwarta HZ(A3)-(Mg, Be) b) materiały nie posiadające sieci krystalicznej, w których atomy ułożone są w sposób nieuporządkowany - ciała amorficzne niekrystaliczne - szkła i polimery c) polimery amorficzne usztywnione włóknami - kompozyty.
2. Podział materiałów ze względu na dominujące wiązanie pomiędzy atomami, jonami i cząsteczkami. a) metale - występuje w nich wiązanie metaliczne między atomami. Wiązanie metaliczne występuje w przypadku atomów, posiadających niewiele atomów walencyjnych, które ulegają łatwemu oderwaniu się od atomu. W wyniku tego tworzą się dodatnie jony i chmura elektronów swobodnych. b) ceramika - występuje w tych materiałach wiązanie kowalencyjne (atomowe). W wiązaniu tym powstają wspólne elektrony walencyjne. Liczba możliwych dla danego atomu wiązań kowalencyjnych zależy od liczby elektronów walencyjnych koniecznych do uzupełnienia jego poziomu zewnętrznego. Przykładem może być diament. Każdy atom węgla zawiera na swym poziomie zewnętrznym cztery elektrony, za pomocą których tworzy pary z sąsiednimi atomami. W sieci przestrzennej każdy atom węgla otoczony jest czterema innymi atomami węgla, rozmieszczonymi w narożach prawidłowego tetraedru. Ciała o takim wiązaniu mają wysoką temp. topnienia i wysoką wytrzymałość mechaniczną. c) tworzywa sztuczne - występuje w nich wiązanie międzycząsteczkowe siłami van der Waalsa. Są to najsłabsze wiązania. Źródłem sił przyciągania w tego rodzaju wiązaniach są dipole elektryczne, tj. cząsteczki o pewnej biegunowości. Sąsiednie cząsteczki indukują w sobie wzajemnie dipole elektryczne co jest źródłem słabego przyciągania między tymi cząsteczkami. d) kompozyty - mogą w nich występować wszystkie wyżej wymienione rodzaje wiązań.
3. Co rozumiesz pod pojęciem ciągliwości materiałów metalowych i jakie wielkości określają ciągliwość? Ciągliwość - zdolność materiału do ulegania dużym odkształceniom pod działaniem sił przy jednoczesnym niewielkim umocnieniu. Określają ją: wydłużenie A5, przewężenie Z%, udarność KV, temperatura kruchości T.
4. Przedstaw wpływ wielkości ziarna na właściwości stali. Drobnoziarnista struktura polepsza takie własności mechaniczne jak: spawalność, ciągliwość, plastyczność, łatwość obróbki mechanicznej. Jednak w niektórych przypadkach wymagane są duże ziarna (łopatki turbin) w celu zwiększenia żarowytrzymałości.
6. Wyjaśnij pojęcie spawalności stali. Spawalność stali jest to podatność materiału do tworzenia w określonych warunkach spawanego złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności (złącza o własnościach zbliżonych do własności materiału rodzimego). 7(?).Przedstaw budowę połączenia spawanego (schemat, opis struktury poszczególnych stref połączenia). a) przedział gruboziarnisty o małej ciągliwości, zachodzi austenityzacja w zakresie wysokich temperatur co sprzyja rozrostowi ziarna austenitu, duża prędkość chłodzenia po austenityzacji sprzyja powstawaniu kruchych struktur iglastych (bainit) b) przedział drobnoziarnisty, w którym występują temperatury sprzyjające rozdrobnieniu ziarna austenitu oraz powstaje struktura znormalizowana. c) przedział przemiany częściowej, w którym podczas nagrzewania tworzy się struktura mieszana ferrytu z austenitem. d) przedział miękki o obniżonej wytrzymałości, w którym zachodzą procesy wydzielania, w wyniku czego uzyskuje się strukturę odpuszczonego martenzytu i dolnego bainitu z licznymi wydzieleniami węglików pierwiastków mikroskopowych.
8. Co to są pęknięcia zimne złączy spawanych i jakie czynniki sprzyjają ich powstawaniu? Pęknięcia zimne tworzą się w złączach spawanych w trakcie ich wykonywania (zwykle w temp. poniżej 200oC) lub bezpośrednio potem przy braku obciążeń roboczych. Pęknięcia zimne są nazywane również pęknięciami opóźnionymi, ponieważ w pewnych przypadkach tworzą się wyraźnie później, po zakończeniu spawania w ciągu kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu następnych godzin. Powstawanie pęknięć zimnych w procesie spawania jest powodowane oddziaływaniem następujących czynników: a) hartowania się stali pod wpływem procesów spawania b) obecnością martenzytu w połączeniach spawanych c) występowaniem wodoru w spoinach d) odkształceń i naprężeń wynikających z procesu spawania prowadzonego w warunkach większego utwardzenia (np. spawanie łat w kadłubie). Skłonność stali do pękania zimnego zwiększa się ze wzrostem grubości elementów łączonych, małej energii liniowej łuku, obniżenia się temp. otoczenia. Zimne pęknięcia tworzą się częściej w połączeniach spawanych elektrodami rutylowymi i celulozowymi.
9. Podział i charakterystyka niskostopowych stali spawalnych. Z uwagi na strukturę stale te można podzielić na dwie grupy: a) stale perlityczne - mają w stanie znormalizowanym strukturę ferrytyczno - perlityczną. Dodatki stopowe występują w tych stalach w postaci roztworu stałego w ferrycie lub jako węgliki w perlicie. Mają wyższe własności wytrzymałościowe od stali niestopowych, o tej samej zawartości węgla z następujących przyczyn: - rozpuszczone w ferrycie dodatki stopowe podwyższają jego twardość, wytrzymałość i granicę plastyczności - dodatki stopowe zwiększają ilość perlitu w strukturze stali - dodatki stopowe powodują rozdrobnienie ziarna stali Jako dodatki stopowe w tych stalach występują najczęściej mangan, miedź, krzem i aluminium. Szczególnie częstym dodatkiem stopowym jest mangan (1-1,8%), który podnosi granicę plastyczności, odporność na ścieranie i polepsza spawalność. b) stale bainityczne - mają w stanie normalizowanym strukturę bainityczną. Dodatki stopowe występują w tych stalach w roztworze przesyconego węglem ferrytu oraz w postaci węglików. Zawierają one zwykle niewielkie ilości (około 1%) dodatków stopowych zmniejszających trwałość przechłodzonego austenitu w zakresie bainitycznym, jak molibden oraz bor, i opóźniających przemianę dyfuzyjną np.: mangan i chrom, co pozwala uzyskać na powietrzu wytrzymałość Rm=1100-1200 MPa.
10(?). Kierunki rozwoju stali spawalnych o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości. a) zastosowanie ciągłego odlewania (ma znaczenie ekonomiczne, obniżenie kosztów produkcji, bo nie trzeba ponownie nagrzewać wlewków) b) czystość metalurgiczna - utrzymanie czystości metalurgicznej powoduje polepszenie odporności na korozję, ciągliwości, spawalności, zmniejszenie anizotropii własności mechanicznych. Dodatkowe zabiegi metalurgiczne to: - wstępne oczyszczenie surówki w konwektorze (zmniejszenie zawartości węgla) - powtórne oczyszczenie stali w kadzi. - obróbka poza piecowa (przedmuchiwanie stali argonem z dodatkiem topników, odgazowywanie próżniowe) c) zastosowanie obróbki cieplno-plastycznej dla podwyższenia wytrzymałości. Obróbka ta składa się z dwóch etapów: - kontrolowane walcowanie (kontrolowana jest temperatura podgrzewania wlewków, temp. początku i końca walcowania, wielkości zgniotów i odstępów pomiędzy nimi) - przyspieszone chłodzenie
12. Co to jest obróbka cieplno-plastyczna (mechaniczna)? Obróbka cieplno-plastyczna ma na celu umocnienie materiału zarówno przez zgniot jak i hartowanie. Obróbka cieplno-plastyczna polega na połączeniu tych dwóch operacji: odkształcony plastycznie austenit hartujemy w taki sposób, aby nie zdążył zajść proces rekrystalizacji. Martenzyt, który powstaje z odkształconego plastycznie austenitu, "dziedziczy" po nim defekty struktury krystalicznej, a przede wszystkim zwiększoną gęstość dyslokacji, co powoduje, że jego twardość, a zwłaszcza wytrzymałość, jest wyraźnie wyższa. Równocześnie dzięki rozdrobnieniu ziarna martenzytu lepsze są właściwości plastyczne stali. Obróbka cieplno - plastyczna może być prowadzona kilkoma sposobami. Najczęstsze to: a) wysokotemperaturowa obróbka cieplno - plastyczna (WOCP) b) niskotemperaturowa obróbka cieplno - plastyczna (NOCP) WOCP polega na odkształceniu plastycznym stali w temp. nieco wyższej od A3, a warunki oziębiania powinny być tak dobrane, aby przemiana A-M zaszła na całym przekroju obrabianego przedmiotu wcześniej niż rekrystalizacja austenitu. Stosuje się ją do przedmiotów o niezbyt dużej grubości (40-50mm). NOCP można stosować do stali, które wykazują dużą trwałość przechłodzonego austenitu, a więc do stali stopowych. Od temp. austenityzacji oziębiamy stal do temp. leżącej między temp. rekrystalizacji i temp. początku przemiany martenzytycznej. W temp. tej odkształcamy plastycznie stal na tyle szybko, aby nie rozpoczęła się przemiana dyfuzyjna, a następnie hartujemy. W porównaniu z klasyczną obróbką cieplną (hartowanie i niskie odpuszczanie) stal poddana OCP ma wytrzymałość wyższą o ok. 15-30% i nie gorsze, a nawet nieco lepsze, właściwości plastyczne. Zwiększona jest również wytrzymałość zmęczeniowa (kilkakrotnie), odporność na ścieranie i wytrzymałość na pełzanie. Ponieważ zastosowanie OCP eliminuje konieczność nagrzewania przed hartowaniem, pozwala to na oszczędność energii i czasu pracy.
16(?). Wymień włókna stosowane do wzmocnienia kompozytów. Rodzaje włókien: a) szklane: -E zastosowanie w elektronice, -S o zwiększonej sztywności i wytrzymałości -C o podwyższonej odporności chemicznej b) karbonizowane (węglowe) lub grafitowe c) borowe d) korundowe e) węglik krzemu, azotek krzemu f) włókna polimerowe Podział ze względu na strukturę włókna: nawijane jednokierunkowe, krótkie zorientowane, nawijane cylindrycznie, tkane - laminat, wzmocnienie hybrydowe: włókna hybrydowe tkane sieć wzajemnie przenikających się składników.
17(?). Wymień własności i zastosowanie kompozytów.
18. Podział stali nierdzewnych i kwasoodpornych. Stale odporne na korozję można podzielić na trzy grupy: a) stale chromowe. Można je podzielić na trzy grupy: - stale o zawartości 12-14%Cr i do 0,45%C. struktury tych stali są różne w zależności od zawartości węgla. Stale o niskiej zawartości węgla (<0,1%) będą miały strukturę ferrytyczną (0H13). Stale ze średnią zawartością węgla (0,20-0,30%) to stale półferrytyczne (1H13), po schłodzeniu struktura tych stali zawiera ferryt i martenzyt. Stale o zawartości węgla powyżej 0,30% przechodzą po nagrzaniu całkowicie w austenit, a po schłodzeniu będą miały strukturę martenzytu (2H13, 3H13, 4H13) - stale o zawartości 16-18% Cr i około 0,1% C. Są one gatunkami stali nierdzewnych o większej odporności korozyjnej, mające w stanie wolnochłodzonym strukturę ferrytyczną lub ferrytyczno - martenzytyczną (H17). - stale o zawartości 25-28% Cr mają strukturę ferrytyczną. Są one mniej plastyczne niż stale o niższej zawartości chromu (H25T). b) stale chromowo - niklowe c) stale chromowo - niklowo - manganowe
22(?). Podaj skład chemiczny, obróbkę cieplną i strukturę stali ferrytyczno - austenitycznych odpornych na korozję (stali dupleks).
23(?). Wymień właściwości stali ferrytyczno - austenitycznych typu dupleks? Odporność na korozję równomierną (na poziomie stali nierdz. austenitycznych), na korozję wżerową (wyższą od stali nierdz. austenitycznych), na korozję międzykrystaliczną, na korozję naprężeniową (środowiska zawierające jony chloru), własności wytrzymałościowe dwa razy wyższe niż dla stali austenitycznych, dobra odporność na erozję i ścieranie, współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej zbliżony do stali węglowej, dobra obrabialność mechaniczna i spawalność, koszty półwyrobu na poziomie stali austenitycznych.
24. Co rozumiesz pod pojęciem żaroodporności i żarowytrzymałości metali i stopów? Żaroodporność jest to odporność na działanie gorących gazów utleniających, o temp. wyższej od 550oC, tj. powyżej temp. czerwonego żaru. Żarowytrzymałość zdolność materiałów do przenoszenia długotrwałych obciążeń w temp. powyżej 600oC. Czynniki decydujące o żarowytrzymałości: temp. topnienia, skład chemiczny, typ wiązania atomowego.
25(?). Podział materiałów metalowych do pracy w podwyższonych i wysokich temperaturach. a) stale niestopowe; St36k, St41k - na blachy, K18 - na rury. Do 450oC b) stale niskostopowe; 16M, 15HM, 10H2M. Temp. pracy 500-550oC c) stale wysokostopowe (energetyczne); 13HMF, 21HMF,
26. Jakie wymagania stawiane są materiałom konstrukcyjnym na łopatki turbin gazowych? Materiały na łopatki turbin gazowych powinny mieć następujące własności: odporność na pełzanie, odporność n utlenianie w wysokich temp., odporność na obciążenia dynamiczne, odporność na zmęczenie wywołane zmianami temp., stabilność cieplna (mały współczynnik rozszerzalności liniowej), stabilność cieplna struktury w wysokich temp., mała gęstość. Aby spełnić wymóg odporności na pełzanie trzeba zastosować taką stal, aby sieć jej stawiała duży opór ruchom dyslokacji, co uzyskujemy przez utworzenie roztworów stałych oraz utwardzenie wydzieleniowe.
27(?). Jakie materiały wykorzystuje się na łopatki turbin gazowych? a) stopy niklu - 59% Ni, 10%Co, 10% W, 9% Cr, 5,5% Al., 2,5% Ta, 0,15% C, 1,3% Hf, 1,5% Ti, 0,25% Fe. b) materiały kompozytowe c) stopy molibdenu
28. Co to są metale wysokotopliwe? Metale wysoko topliwe to metale o bardzo wysokiej temp. topnienia. Należą do nich: wolfram, molibden, tantal, niob, ren
29(?). Wymień główne zastosowanie tantalu i jego stopów. Zastosowanie tantalu: wymienniki ciepła dla czynników agresywnych (odporność korozyjna zbliżona do platyny), przemysł chemiczny, przetwarzacze i kondensatory stosowane przy rozdziale kwasu azotowego i solnego, podgrzewacze stosowane w procesie rafinacji ropy naftowej, wężownice, chłodnice i grzejniki bagnetowe używane do bezpośredniego styku z ciekłymi metalami, cienkie blachy stosowane do wybuchowego platerowania stali, stosowane do osłony dla termopar w reaktorach jądrowych.
30(?). Wymień główne zastosowanie renu i jego stopów.
31. Jakie zjawiska fizyko - chemiczne występują podczas procesu prasowania proszków metali? Przy prasowaniu proszku początkowo następuje zapełnienie luk między cząstkami i uzyskuje się najbardziej zwarte ułożenie cząstek. Dalsze zagęszczanie układu cząstek następuje na drodze ich odkształcenia. Przy prasowaniu zachodzą następujące zjawiska: - zagęszczanie, a w szczególności powiększenie całkowitej powierzchni styku cząstek - usunięcie ewentualnych powłok tlenkowych i gazowych (tarcie wzajemne cząstek proszku) - częściowe zgrzanie sąsiadujących cząstek
32. Jakie podstawowe procesy obejmuje technologia wytwarzania części maszyn z proszków metali? Podstawowe procesy technologii wytwarzania proszków spiekanych to: a) przygotowanie proszków. Podstawowymi surowcami do produkcji wyrobów spiekanych są zarówno proszki czystych metali (żelaza, miedzi, manganu). Mogą być one wytwarzane metodami mechanicznymi lub fizykochemicznymi. b) prasowanie. Właściwe prasowanie poprzedzają operacje przygotowawcze, jak wyżarzanie, przesiewanie i mieszanie. Wyżarzanie ma na celu zwiększenie ich plastyczności na drodze redukcji pozostałych w tych proszkach tlenków oraz usunięcia zjawiska zgniotu. Przeprowadza się je w atmosferze gazów redukujących lub w próżni w temp. wynoszącej 0,4-0,6 temp. topnienia proszku. Przesiewanie za pomocą odpowiedniego układu sit ma na celu rozdzielenie proszków na klasy o różnej wielkości cząstek. Pozwala to następnie na właściwe ustalenie w mieszaninach proszkowych procentowego udziału frakcji o określone wielkości cząstek. Mieszanie proszków ma na celu wytworzenie jednorodnej mieszaniny i jest ono czynnością bardzo ważną, gdyż od właściwego wymieszania zależy w dużym stopniu późniejsza jakość wyrobów spiekanych. W wyniku prasowania otrzymuje się półfabrykat - wypraskę. Prasowanie przeprowadza się w prasownikach. Prasowniki do prasowania proszków składają się z trzech zasadniczych elementów: z matrycy oraz górnego i dolnego stempla. Poza tym istnieją jeszcze inne metody formowania, jak: prasowanie hydrostatyczne, odlewanie gęstwy, walcowanie proszku, wyciskanie, kształtowanie wibracyjne, kształtowanie dynamiczne. c) spiekanie. Spiekanie polega na wygrzewaniu wyprasek w wysokich temp., w czasie którego ze sprasowanego proszku otrzymuje się spiek o właściwościach zbliżonych do właściwości litego materiału. Spiekanie przeprowadza się w ochronnej atmosferze lub w próżni, w celu zabezpieczenia materiału przed utlenianiem. Temperatura spiekania jest zwykle niższa od temp. topnienia najłatwiej topliwego składnika. Spieki mogą być poddawane doprasowaniu w celu podwyższenia niektórych własności, kuciu dla zmian kształtu bądź impregnacji, czyli wypełnieniu porów np.: olejami.
33. Wymienić metody wytwarzania proszków metali. a) metody mechaniczne; metody, przy których materiał wyjściowy ulega pod działaniem sił zewnętrznych rozdrobnieniu bez zmiany swego składu chemicznego. Zaliczamy do nich: - rozdrabnianie metalu w różnego rodzaju młynach kulowych, wirowo - udarowych, młotkowych - rozdrabnianie na drodze obróbki skrawaniem, w wyniku czego otrzymuje się metal w postaci wiórów lub opiłków. - rozpylanie ciekłego metalu wodą lub gazem pod określonym ciśnieniem (metal krzepnie, tworząc bardzo drobne cząstki) b) metody fizyko-chemiczne; procesy technologiczne, w czasie których pod wpływem przemian fizykochemicznych zachodzących w rozdrabnianym materiale otrzymuje się proszek, który z reguły różni się swym składem chemicznym od materiału wyjściowego. Do tych metod zaliczamy: - redukcja tlenków, która należy do bardzo ekonomicznych metod otrzymywania proszków, gdyż pozwala wykorzystać jako materiał wyjściowy rudy lub odpadowe tlenki z procesu hutniczego - elektroliza z wodnych roztworów lub stopionych soli jest drugą co do znaczenia metoda otrzymywania proszku (jest ona jednak stosunkowo droga z uwagi na małą wydajność procesu i duże zużycie energii elektrycznej) - rozkład karbonylków to metoda pozwalająca otrzymać proszki o dużej czystości (jest jednak bardzo kosztowna) - kondensacja par metali na zimnej powierzchni - metoda elektroerozyjna do chwili obecnej jeszcze nie całkowicie opracowana.
34(?). Wymienić właściwości proszków wpływające na jakość wyrobów otrzymywanych metodą metalurgii proszków. Właściwości proszków wywierają decydujący wpływ na jakość wyrobu. Takie cechy fizyczne jak kształt, struktura i wielkość cząstek oraz związanie z nimi własności technologiczne jak gęstość nasypowa, sypkość, a przede wszystkim prasowalność ponadto skład chemiczny proszków, a zwłaszcza zawartość tlenu. Proszki powinny mieć ziarna o możliwie jednakowej wielkości. Powierzchnia styku cząstek powinna być jak największa bo skraca drogę dyfuzji, a tym samym efekt spiekania jest większy. Gęstość nasypowa jest to stosunek luźno nasypanego proszku do jego objętości, wielkość ta ma wpływ na wytrzymałość spieków. Dobra zagęszczalność oznacz dobrą prasowalność (zagęszczalność - zdolność do tworzenia gęstości większej pod wpływem obciążenia).
35. Podać przykłady materiałów stosowanych w produkcji narzędzi otrzymywanych metodami metalurgii proszków. Uzasadnić potrzebę takiej produkcji. Materiały stosowane w produkcji narzędzi otrzymywanych metodami metalurgii proszków to min.: spiekane węgliki oraz spieki diamentowo - metaliczne przeznaczone do obróbki szlifowaniem. Spiekane węgliki metali mają strukturę złożoną z twardych węglików związanych osnową nieżelazną. Jako składniki węglikotwórcze należy wymienić przede wszystkim wolfram i tytan, a także tantal, molibden, bor, osnowę zaś stanowi kobalt lub nikiel. Z węglików spiekanych nie wyrabia się całych narzędzi, lecz tylko płytki lutowane na trzonki wykonane ze stali najczęściej konstrukcyjnej. Proszki węglików miesza się ze środkiem wiążącym i następnie prasuje się w odpowiednich formach, nadając w ten sposób wyrobom odpowiedni kształt. Prasówki poddaje się następnie spiekaniu w temp. 1500-2000oC, w wyniku czego otrzymuje się spiek, w którym cząsteczki węglików związane są osnową metaliczną. Najczęściej stosuje się węgliki tytanu i wolframu w osnowie kobaltowej. Węgliki tego typu mają twardość 88-90HRC przy czym zachowują zdolność do skrawania do temp. 1000oC. W tej temp. twardość wynosi jeszcze 60HRC, co pozwala na dwukrotne zwiększenie szybkości skrawania w porównaniu ze stalą szybkotnącą. Twardość węglików spiekanych jest ich twardością naturalną, tak że nie podlegają one dodatkowej obróbce cieplnej.
37. Na czym polega proces spiekania proszków metali? Spiekanie polega na wygrzewaniu wyprasek w wysokich temp., w czasie którego ze sprasowanego proszku otrzymuje się spiek o właściwościach zbliżonych do właściwości litego materiału. Jest to zasadniczy etap produkcji wyrobów spiekanych. Spiekanie przeprowadza się w ochronnej atmosferze (wodór, zdysocjowany amoniak) lub w próżni, w celu zabezpieczenia materiału przed utlenianiem. Spiekanie może przebiegać jako: - swobodne - pod działaniem sił tj. połączone z formowaniem zapewniającym odpowiedni kształt.
38(?). Jakie zjawiska występują w procesie spiekania? Podczas spiekania zmieniają się wymiary liniowe wyprasek i własności. Są wynikiem wielu procesów fizycznych i chemicznych: zwiększenie ruchliwości atomów, zmiana powierzchni styku cząstek (wzrasta stosunek powierzchni styku do całkowitej powierzchni cząstek), usunięcie resztkowych naprężeń w miejscach styków, rekrystalizacja (samodyfuzja i dyfuzja, zapewniające zgrzewanie sąsiednich ziaren), zmiana całkowitej powierzchni cząstek, przemieszczanie cząstek, parowanie i kondensacja par, płynięcie plastyczne.
39. Czynniki wpływające na proces spiekania i właściwości spieków. Czynniki te to: - granulacja wyjściowych proszków; zwiększenie stopnia dyspersji cząstek przyspiesza proces spiekania i powoduje także podwyższenie właściwości mechanicznych i elektrycznych otrzymanych spieków - ciśnienie prasowania, które w sposób istotny wpływa na przebieg spiekania; zwiększenie ciśnienia prasowania prowa