Materiały Kompozytowe osnowa +faza zbrojąca
Kompozyt jest to tworzywo złożone z co najmniej 2 skład. o różnych właść. w taki sposób ze ma właści. lepsze i (lub) nowe (dodatkowe) w porównaniu z właści. poszczególnych składników lub w porównaniu z sumą właści. tych skład. Kompozyt jest materiałem zew. monolitycznym z wyraźnie widocznymi makroskopowo granicami rozdziału między składnikami.
Jeden z materiałów pełni rolę lepiszcza i jest nazywany osnową (ang. Matrix) a pozostałe stanowią zbrojenie (FZ)
Najbardziej rozpowszechnione dotychczas materiały kompozytowe to tworzywa sztuczne zbrojone włóknem ciągłym i stopy aluminium zbrojone SiC lub Al2O3 w postaci włókien lub wielościanów nieforemnych(cząstek)
Wiązania jonowe polega na elektrostatycznym przyciąganiu się jonów przeciwnych znaków. Jest ono rezultatem przechodzenia elektronów z jednego atomu do drugiego. Takie wiązanie występuje zawsze w związku metali z niemetalami ponieważ metale łatwo oddają elektrony i stają się jonami dodatnimi a atomy niemetali przyjmują elektrony.
Wiązanie kowalencyjne:- polegają na tworzeniu się wiążących par elektronów które należą jednocześnie do 2 sąsiadujących atomów.
2 Wiązanie metaliczne-powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania zajmujących stałe położenie jąder i ruchomych słabo związanych z jądrem elektronów walencyjnych stanowiących wspólną wł. wszystkich atom.
W kryształach metali węzły sieci krystalicznej są obsadzone przez kationy a elektrony wartościowości poruszają się podobnie jak cząsteczki gazu. Dlatego używa się określenia że elektr. tworzą gaz elektr. lub chmurę elektronową.Elektrony są utrzymywane w atomie dzięki elektrostatycznemu przyciąganiu ich przez kationy. Siłą wiązania metalicznego jest f. energii wzajemnego przyciągania kationów i elektr. swobodnych oraz energii odpychania wzajemnego kationów przez kationy i elektr. przez elektr.
Wiązania wtórne ( Van-Der-Waalsa) Dipol Chwilowy
A chwilowe przesunięcie środka ładunku + jadra atomu względem - ładunku krążącego wokół niego elektronów.
B przesunięcie ładunku - w jądrze sąsiednim wywołane oddziaływaniem elektrostatycznym daje wiązania wtórne
Wiązania wtórne polegają na elektrostatycznym przyciąganiu się ładunków różnoimiennych podobnie jak w wiązaniach jonowych z tą różnicą że ładunki różnoimienne są wynikiem asymetrycznego rozkładu ładunków w obrębie każdego atomu lub cząsteczki.
Atomy lub cząsteczki z asymetrycznym rozkładem ładunków stanowią dipole tj. układ 2 ładunków elektrycznych równej wielkości, lecz o przeciwnym znaku znajdujących się w niewielkiej odległości od siebie.
Ponieważ elektrony są w ciągłym ruchu chwilowe położenie środka ładunku + jądra nie pokrywa się ze środkiem ładunku - elektronów. Atom staje się chwilowym dipolem. Dipole powodują powstawanie sił przyciągania między tymi dipolami. Wiązania dipolowe występują m.in. w gazach szlachetnych (Ar)
Cząsteczki wody stanowią dipol trwały ponieważ elektr tworzące wiązania miedzy atom. tlenu i atom. wodoru są przesunięte w kierunku atom. tlenu.
Wiązania wtórne miedzy cząsteczkami wody powstają na skutek przyciągania wzajemnego trwałych dipoli.
Wykorzystanie odległości równowagi:
-przez przyrodę (liść lotosu) -przez człowieka (odlew tworzyw z powierzchni wg. liścia lotosu oraz farba lotosu nie pokrywająca się brudem).
Energia poszczególnych typów wiązań:
Jonowe 600-1550 Kowalencyjne 500-1250
Metaliczne 100-850 Van-Der-Waalsa < 40
Struktura Krystaliczna. Materiały inż. pod względem sposobu ułożenia w nich atomów można podzielić na krystaliczne i niekrystaliczne(amorficzne)
Większość metali ma jedną z 3 prostych struktur krystalicznych: - regularną ściennie centrowaną RSC
-regularną przestrzennie centrowaną RPC
-heksagonalną zwartą HZ
Polimorfizm-jest to zj. wyst. wielu metali i niemetali w różnych strukt. krystalograficznych w zależności od temp.
Odmiana alotropowa jest to różna odmiana krystaliczna tego samego materiału. (C-grafit,sadza,fulleren)
Szkła nie mają strukt. krystalicznej (są amorficzne). Niektóre szkła mogą mieć strukt. krystaliczną (szkło litowoglinokrzemowe po obróbce cieplnej).
Tworzywa sztuczne są w niewielkim stopniu krystaliczne ponieważ ich krystalizacja jest utrudniona ze względu na wielkość i złożoność cząsteczek .
Struktura polimerów: -liniowa -liniowa rozgałęziona
-z wiązaniami poprzecznymi -silnie usieciowana
T. Sztuczne : -termoplasty -duroplasty -elastomery
3 Badania podstawowe wł. materiałów: -pomiar twardości
-statystyczna próba rozciągania -próba zmęczeniowa
-badania udarności.
Twardość- jest oporem struktury materiału jaki stawia ona podczas wciskania z określoną siłą określonego wgłębnika. Wzorzec twardości jest to płytka metalowa o określonych wymiarach i mikrogeometrii oraz o jednorodnej, stałej w czasie twardości, służąca do sprawdzania wskazań twardościomierzy przez porównanie wskazań z twardością podaną na wzorcu.
DUROPLASTY łańcuchy tworzyw duroplastycznych są wzajemnie gęsto usieciowane przez utworzenie wiązań poprzecznych dlatego nie występują drgania cieplne cząsteczek. Dur…po utwardzeniu nie mogą zostać ponownie zmiękczone przez podgrzewanie. Dur.. są zawsze bezpostaciowe. ELASTOMERY wytwarza się z podstaw. skład. kauczuku poprzez polimeryzację. Cząsteczki elastomerów są słabo usieciowane. Z powodu podwójnych wiązań poprzecznych kauczuki nie są odporne na starzenie wywołane ciepłem, światłem i tlenem(tworzenie kolejnych wiązań). Pod wpływem obciążenia odkształcają się a gdy brak -> do pier. postaci
Defekty punktowe: -wakancja (luka) -atom rodzimy w położeniu międzywęzłowym Defekty: -Schottky'ego tworzą 2 wakansy o ładunkach przeciwnych (brak jonu + i -)
-Frenkla tworzą wakans i atom rodzimy w położeniu międzywęzłowym. (np. jon + w innym miejscu)
Dyslokacja krawędziowa polega na „zaniku” 1 krawędzi ┴ Dyslokacja śrubowa powstaje w wyniku skręcania linii dyslokacji w kształcie spirali. (+ prawoskrętnie)
Defekty podstawieniowe (Atomy niklu zajmują położenie atomowe w strukturze krystalicznej miedzi)
poniżej 420oC roztwór uporządkowany
Defekty powierzchniowe ułożenie atomów i odległości między atomami nie są równowagowe na granicy ziarn. Atomy na granicy są ułożone luźniej niż we wnętrzu, ponieważ przy ↑ odległości poniżej odległości równowag. F odpychania rosną szybciej niż F przyciągania
Granice międzyfazowe: -Koherentna -Częściowo Koh….
Warunki konieczne do powstawania roztworu stałego ciągłego 1)taki sam typ struktury krystalicznej 2)mniejsza niż 15% różnica promieni atomów 3)zbliżona elektroujemność 4)taka sama wartościowość (identyczna ilość elektr. na ostatniej powłoce)
Stal-jest to materiał zawierający masowo więcej żelaza niż
jakiegokolwiek innego pierwiastka o zawartości C
mniejszej niż 2% i inne pierwiastki
Stale dzielimy na:a)niestopowe- stal w której zawartość pierwiastków jest mniejsza od zawartości granicznych.
Dzielą się na: -jakościowe są gatunki dla których są ustalone
wymagania dotyczące wł.-specjalne charakteryzują się wyższym niż gat. St. jakościowych stopniem czystości metalurgicznej, zwłaszcza w zakresie wtrąceń niemetalicznych. b).stale odporne na korozje-zawartość wagowa chromu powyżej10,5% i zawierająca maksymalnie 1,2% C. Klasyfikuje się wg.:
-zawartości niklu: poniżej 2,5% i powyżej 2,5%
-wł. na stale (nierdzewne,żaroodporne,żarowytrzymałe)
c)stopowe-pozostałe gat. Dzielimy na: jakościowe i specjalne.
Jakościowe nie są zazwyczaj przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania pow. Stale te dzieli się na (konstrukcyjne, do produkcji, na wyroby płaskie)
Stale niestopowe specjalne spełniają przynajmniej1 z warun.:
1.określona udarność w stanie ulepszonym
2.określona hartowność lub twardość
3.niska zawartość wtrąceń niemetalicznych
4.max. zawartość P i S(0,02%) analiza wytopień i 0,025 wyrób 5.określone min. udarność -50oC
6.ograniczona zawartość niektórych pierwiastków
7.określona przewodność elektryczna większa niż 9(Sm,mm2)
8.stale do betony sprężonego.
9.określona zawartość C>=0,25% (str. ferytyczno-perlityczna)
6 Obróbka cieplna jest zespołem zabiegów cieplnych
nagrzewania wygrzewania i chłodzenia, których celem
jest zmiana struktury stopów metali w stanie stałym.
Efektem zmiany struktury są zmiany wł. mech. i fiz.-chem. Podczas obróbki cieplnej wykorzystuje się przemiany fazowe zachodzące podczas nagrzewania i chłodzenia.
Rozróżnia się następujące rodzaje obróbki cieplnej:
1.O. Cieplna(zwykła) 2cieplno-chemiczna 3.cieplno-plastyczna
Wyżarzanie|Hartowanie i odpuszczanie|przesycanie i starzenie|
Przemiany fazowe podczas nagrzewania stopów żelaza:
F1-Podczas nagrzewania stopów o składzie eutektoidalnym po przekroczeniu temp.Ac1 na granicy ferrytu i cementytu powstaje zarodek austenitu.
F2-zarodek rozrasta się stopniowo powodując zanik ferrytu
(zmiana sieci kryst. Fe(alfa)Fe(gama))
F3-Austenin nasyca się C dyfundującym z cementytu Fe3C( w temp Ac1 może rozpuścić się tylko 0,8% C)
F4-Równol. ma miejsce dalsza przebudowa sieci z RPCRSC
F5- Przemiana perlitu w austenit, zach. szybciej w wyż. temp. ale wtedy uzyskuje się większe ziarna austenitu.
Przemiana martenzytyczna: Podczas deformacji Baina następuje zmiejszenie komórki w kierunku [001] α o okoła 19% i jej wydłużenie w kierunkach do niego prostopadłych o około 14% .Jest przemiana bezdyfuzyjną tzn. zachodzi bez zmiany składu chem. stopu. Jest przemiana atermiczną tzn. nie jest wymagane cieplne wzbudzenie atomów. Zachodzi w niej przebudowa sieci krystalicznej RSCRPC.FeγFeα.Polega na skoordynowanym przemieszczaniu atomów na odległości mniejsze od parametrów komórki strukturalnej. W wyniku przemiany powst. martenzyt.
Martenzyt- roztwór węgla w żelazie o składzie austenitu z którego powstał. Ma strukturę tetragonalną przestrzennie centrowaną. Wielkość płytek martenzytu zależy od wielkości ziaren austenitu. Dobre właściwości stali dają rozdrobnione płytki martenzytu, powstałe z małych ziaren austenitu.
Przemiana martenzytyczna zachodzi nie tylko w stopach żelaza z węglem. Najbardziej rozpowszechnionym wykorzystaniem odwracalnej przemiany martenz. w technice jest zjaw. pamięci kształtu(MSE) zachodzące np. w stopach TiNi.
Przemiana Banityczna
Banit- produkt przemiany bainistycznej stali składającym się z ferrytu przesyconego węglem i węglików.
Podczas chłodzenia poniżej temp w których występuje przemiana perlityczna(550-200oC)w przechłodzonym austenicie występuje niejednorodny rozkład węgla w roztworze stałym (austenit wzbogacony w C i zubożony)
Z wzbogaconego w C austenitu wydzielają się drobne cząstki cementytu a austenit zubożony w C przemienia się w martenzyt.
Ze względu na morfologię rozróżnia się : Bainit górny(400-5500C zawierający listwy ferrytu, między którymi znajdują się cementyt) i dolny( poniżej 4000C zawierający cząstki cementytu wydzielone wewnątrz płytek ferrytu bainitycznego).
7 Hartowanie polega na nagrzaniu materiału o 30-50oC wyższej od Ac13,wygrzaniu go w tej temp.i oziębieniu w celu uzyskania struktury martenzyt. lub bainitycznej. Wyróżnia się harowanie zwykłe-polega na chłodzeniu w jednym ośrodku do temp. austenizowania z szybkością większą od krytycznej szybkości chłodznia w celu uzyskania struktury martenzytycznej.
Hartowanie stopniowe-polega na zatrzymaniu oziębienia i przetrzymaniu przedmiotu w temp powyżej MS, aż do wyrównania temp. w całym przekroju i dalszym powolnym chłodzeniu zapewniającym możliwie jednoczesne zajście przemiany martenzytycznej w całym przekroju.
Stale węglowe są zazwyczaj chłodzone w wodzie a stale stopowe w oleju. Wada: duża różnica temp. w rdzeniu i warstwie-> duże naprężenia i czasem pęknięcia.
Szybkość krytyczna chłodzenia jest to najmniejsza szybkość przy której austenit nie ulega przemianie dyfuzyjnej.
Hartowanie izotermiczne-polega na zatrzymaniu oziębiania i przetrzymaniu przedmiotu w temp. tuż powyż4ej MS przez czas potrzebny do zakończenia przemiany bainitycznej.
Wyżażanie jest procesem obejmującym szereg zabiegów obróbki cieplnej których celem jest zbliżenie struktury materiału
do stanu równowagi lub przygotowanie materiału do dalszych
procesów technologicznych.polega na ogrzaniu do określonej temp. wygrzaniu w tej temp. i ostudzeniu. Rozróżnia się wyżarzanie: -bez przemian fazowych lub z przemianami fazowymi które nie wywierają wpływu na strukturę i wł.
-z przemianami alotropowymi, które decydują o końcowej strukturze.