I

MATERIAŁOZNASTWO

Wykład 1

Materiałoznawstwo jako nauka o budowie, właściwościach i metodach badań materiałów konstrukcyjnych, zajmuje się pomiędzy: składem chemicznym, budową tworzywa i procesem technologicznym jakim ono podlega, a jego właściwościami. Zależności te zazwyczaj są trudne do sprecyzowania, ze względu na dużą liczbę zmiennych jak i ilościową ocenę pewnych zjawisk. Właściwości materiału określa się pod względem stawianych mu wymagań. Nie ma materiału konstrukcyjnego spełniającego w równym stopniu wszystkie wymagania. Każdy materiał może być : odpowiedni, nieodpowiedni lub bardzo dobry, ponieważ ocena jest uzależniona od właściwego doboru właściwości tworzywa i techniki wytwarzania. Do warunków pracy, elementy i konstrukcji. Wymagania stawiane materiałom:

- dobre właściwości mechaniczne ( wytrzymałość trwałość ),

- mały ciężar właściwy,

- duża trwałość,

- dobre właściwości technologiczne,

- niska cena,

- dobre właściwości chemiczne i fizyczne.

Wiązania znajdujące się w materiale:

wiązania jonowe - Zachodzą w wyniku elektrostatycznego przyciągania się układów różnoimiennych ( zachodzi w przypadku oddania elektronu przez pierwszy atom i przyjęcia przez drugi ). wiązania atomowe ( kowalencyjne ) - zachodzą w przypadku atomów posiadających po siedem elektronów, oddziaływujące siłami elektrostatycznymi na wspólną parę elektronów.

wiązania metaliczne - atomy pierwiastków metali mają mało elektronów walencyjnych na powłoce elektronowej i oddalają się ( elektrony wędrują ).Atomy metali nie mogą tworzyć wspólnych par elektronów i łączą się wiązaniami jonowymi i atomowymi. Zbliżone atomy tracą elektrony walencyjne stając się rdzeniami atomowymi między którymi w całej objętości poruszają się elektrony. Między ładunkami dodatnimi rdzenia i ładunkami ujemnymi elektronów działają silne siły elektrostatyczne - przyciągające które utrzymują atomy w stałych odległościach.

Wiązania van der Walsa - Wskutek odkształcenia powłok elektronowych środki ładunków dodatniego i ujemnego, nie znajdują się w tym samym punkcie. Atom jest spolaryzowany, staje się dipolem który w odpowiednim położeniu przyciąga drugi dipol.

Rodzaje sieci krystalicznych ( przestrzenne ):

1) regularnie prosta - atomy na narożach sześcianu.

2) regularnie przestrzennie centralna - atomy na narożach i w centrum bryły.

3) regularna płasko-centrowana - na narożach i w środku boków.

4) sieć heksagonalna - niezależnie.

Niezależnie od typu sieci, sieć przestrzenną charakteryzują:

1) liczba koordynacyjna - liczba najbliższych i równoległych atomów od dowolnego atomu ( liczba wiązań ).

2) liczba atomów przypadających na komórkę zasadniczą - wartość charakteryzująca jej wielkość.

3)wypełnienie komórki elementarnej - stosunek objętości zajętej przez atomy ( kule ) do objętości komórki elementarnej ( bryły ) wyrażonej w procentach.

Wykład 2

Krystalizacja

Przechodzenie ze stanu ciekłego w stan stały, ma ogromne znaczenie gdyż od tego zależy rzeczywista struktura, a więc właściwości mechaniczne. Oziębienie cieczy zmniejsza ruchliwość atomów tak, że w temperaturze krzepnięcia siły wiązań gwałtownie zwiększają powodując gwałtowne zmniejszenie energii wewnętrznej układu.

II

Jej nadmiar wydziela się w czasie krzepnięcia w postaci ciepła, utrzymują przez cały czas trwania zmiany stanu skupienia stałą temperaturę układu pomimo strat ciepła do otoczenia. W niektórych przypadkach możemy obniżyć temperaturę krzepnięcia: dla metali o kilka stopni, dla wody o 20 stopni tworzywa jednocząsteczkowe o kilkaset. Zjawisko to jest możliwe w przypadku odizolowania ciepła od otoczenia. Podobne zjawisko możemy osiągnąć nagrzewaniu (znacznie trudniej).

Mechanizm krzepnięcia - polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i na ich wzroście. W teorii krystalizacji są dwie wartości charakteryzujące proces: 1.Szybkości zarodkowania (SZ) - jest to liczba zarodków krystalizacji tworzących w jednostce objętości cieczy, w jednostce czasu. 2.Szybkości krystalizacji (SK) - liniowa szybkość wzrostu kryształów w jednostce długości , na jednostkę czasu.

Mechanizm krystalizacji może być sterowany poprzez prędkość chłodzenia. Przy małych prędkościach chłodzenia szybkość krystalizacji dominuje nad szybkością zarodkowania - uzyskuje strukturę gruboziarnistą. Przy dużych szybkościach chłodzenia dominuje szybkość zarodkowania - uzyskujemy strukturę drobnoziarnistą.

Mechanizm zarodkowania

W ciekłym metalu zarodkiem krystalizacji jest przypadkowo pojawiająca się grupa atomów bliskiego uporządkowania pozycją położenia atomów w sieci. Zarodkiem może być wtrącenie nieczystości, warstwa tlenków, ścianki naczynia. Rozróżnia się następujące zarodki:

1) Zarodkowanie homogeniczne - polega ono na tworzeniu się zarodka w kształcie kuli w jednorodnej cieczy ( rzadko spotykamy - znaczne przechłodzenie ).

2) Zarodkowanie heterogeniczne - polega ona na tworzeniu się zarodka o kształcie czaszy kulistej na powierzchni faz stałej - jest podstawowym elementem krystalizacji metali.

Wzrost zarodka krystalizacji polega na osadzeniu się na jego powierzchni atomów z cieczy, które dzięki zmniejszeniu ruchliwości są przyłączone siłami wiązań i umiejscawiają się w położeniach odpowiadających pozycja w sieci. Szybkość krystalizacji wykazuje anizotropię. Szybkość jest największa po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami. Podstawianie struktury dendrytycznej - Mikrostruktura materiałów metalicznych utworzona jest w wyniku krystalizacji nosi nazwę struktury pierwotnej. Dzięki dużej liczby zarodków krystalizacji, metale i stopy mają budowę polikrystaliczną. Mechanizm tworzenia się mikrostruktury polikrystalicznej ( dendrycznej ) jest następujący: W początkowym okresie zarodki rozrastają się swobodnie po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami. Ich wzrost zostaje zachowany lokalnym podniesieniem temperatury ( na skutek wydzielania się energii wewnętrznej ). W międzyczasie w innym miejscu zarodka rozpoczyna się krystalizacja i trwa również do momentu wzrostu temperatury przed frontem krystalizacji. Po pewnym czasie rusza proces krystalizacji. W pierwotnym kierunku, krystalizacji wlewka (wlewek - zastygła ciecz w naczyniu ), skład naczynia: warstwa drobnoziarnista, kryształy walcowe, kryształy słupkowe, z góry wypływają zanieczyszczenia (miejsce rysunku) ?????W wyniku zetknięcia się cieczy z zimnymi ścianami naczynia uzyskuje się dużą prędkość odprowadzenia ciepła, powoduje to uzyskanie dużej prędkości zarodkowania w wyniku czego przy ściankach naczynia pozostaje strefa drobnoziarnista, strefa ta zmniejsza szybkość odprowadzania ciepła ( izoluje ), a więc rośnie szybkość krystalizacji i zarodki rozrastają się do większych rozmiarów w kształcie równoległym równolegle do kierunku odprowadzania ciepła ( jest to strefa ziarna słupkowego. Ta strefa jeszcze bardziej zmniejsza szybkość chłodzenia i ogranicza kierunkowość odprowadzania ciepła, dlatego w tym etapie powstają ziarna równoosiowe osiągające znaczne rozmiary ( ziarna walcowe ).

III

Wykład 3

Defekty struktury krystalicznej metali.

Sieć przestrzenna rzeczywistego kryształu zawiera wiele odchyleń od doskonałości geometrycznej - są to defekty. Defekty wywierają wpływ na właściwości mechaniczne materiału. W zależności od rozmiarów wyróżnia się defekty:

Punktowe

a) wakansy( puste węzły), mogą się przemieszczać

b) obce atomy w węźle (atom może być większy lub mniejszy)

c) defekt Frenkla (atom wyskakuje z węzła i przeskakuje do pozycji międzywęzłowej )

d) obcy atom w pozycji międzywęzłowej

Defekty punktowe mają rozmiary rzędu odległości międzyatomowych.

Defekty liniowe zwane dyslokacjami mają w dwóch prostopadłych kierunkach wymiar stałej sieciowej a w trzecim wymiar ziarna.

Liniowe

a) dyslokacja ?????? - wakansy obok siebie tworzą tunel biegnący do granicy ziarna.

b) dyslokacja śrubowa

Defekty złożone mają w jednym kierunku wymiary rzędu kilku odległości międzyrzędowych,

a w dwóch pozostałych wymiary ziarna. Są to powierzchnie rozkładu ziarna zwane granicami.

Granice mogą być: szerokokątne, wąskokątne.

Odkształcenia plastyczne metali.

W monokrysztale mogą wystąpić odkształcenia:

a) sprężyste - sprężyste ugięcie sieci, ugięcie musi być mniejsze niż odległość międzyatomowa.

b) plastyczne - powstają po usunięciu naprężeń : przez poślizg lub bliźnia kowanie.

- przez poślizg może mieć do 100 odległości międzyatomowych

- przez bliźnia kowanie - polega na skręceniu jednej części kryształu względem drugiej o kąt B naprężenie niezbędne do wywołania bliźnia kowania jest znacznie większa od naprężenia wywołującego poślizg.

Wykład 4

Rekrystalizacja wtórna. Zgnioty.

Pojęciem zgniot nazywa się całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń własnych oraz właściwości wywołanych odkształceniami plastycznymi. W strukturze zgniecionego materiału można zaobserwować pod mikroskopem wpływ zgniotu. W wyniku zgniotu otrzymuje się strukturę zwaną teksturą zgniotu. W wyniku tej tekstury następuje anizotropowe umocnienie materiału. Wymienione umocnienie i kształt zgniecionego ziarna są trwałe tylko do określonej temperatury. Wyżarzenie zgniecionego materiału wywołuje w nim zmiany. Wyżarzenie w niskiej temperaturze zmniejsza natężenie własne obróbkę cieplną przy której usuwa się naprężenie własne nazywamy odprężaniem. Przy wyżarzaniu w wysokiej temp. materiał uzyskuje te właściwości które miał przed zgniotem. Zjawisko to nazywamy uzdrowieniem (nawrotem). Wyżarzenie w jeszcze wyższej temp. powoduje likwidację struktury włóknistej i odtworzenie ziarna komórkowego. Zjawisko przebudowy kryształów zgniecionych na komórkowe nazywamy rekrystalizacją pierwotną. Dalsze wygrzewanie w odpowiednio wyższej temp. powoduje rozrost ziaren. Zjawisko to nazywamy rekrystalizacją wtórną. Zjawisko rekrystalizacji wtórnej pogarsza właściwości mechaniczne i technologiczne. Zjawisko rekrystalizacji pierwotnej jest wykorzystywane w procesach obróbki plastycznej do odzyskania właściwości plastycznych utraconych podczas zgniotu. Temperaturę rekrystalizacji można w przybliżeniu kreślić według wzoru :

T_R = AT_top A - współczynnik rozpuszczalności ( dla czystych metali A = 0,4 dla stopu A = 0,6 )

Omówiony proces można przedstawić na wykresie:

Wartość zgniotu ma wpływ na wielkości ziarna po wyżarzeniu. Zgniot przy którym po wyżarzeniu otrzymuje się największe ziarna, nazywa się zgniotem krytycznym. Wynika z rozważań, że obróbka plastyczna prowadzona w temp. niższej od temp. rekrystalizacji powoduje umocnienie materiału natomiast obróbka plastyczna w temp. wyższej od temperatury rekrystalizacji umocnienia nie wywołuje. Stąd wynika podział na obróbkę na zimno ( T < T_R ) i na gorąco ( T > T_R ).Podstawy obróbki cieplnej

Fragment układu żelazo-cementu:

- austenit - roztwór węgla z żelazem * - płasko cement

- ferryt - roztwór węgla w żelazie * - ??????

- perlit

- cementyt - węglik żelaza

Obróbka cieplna jest zabiegiem cieplnym lub kilkoma zabiegami, mającym na celu zmiany struktury stopu w stanie stałym, a przez to nadaje im żądanych właściwości mechanicznych. Jako środek do jego celu stosuje się podnoszenie lub obniżanie temp. obrabianego cieplnie materiału, oraz pewne procesy cieplno-chemiczne, cieplno-plastyczne, cieplno-magnetyczne. Ważne znaczenie dla obróbki cieplnej ma układ równowagi żelazo-cementu, a ściśle jego fragment do zawartości 2,11% węgla.

Wykład 5

Klasyfikacja procesów obróbki cieplnej.

Zabieg obróbki cielnej jest to określony zespół czynności: nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie obrobionego cieplnie materiału.

Tn - czas nagrzewania

Tw - czas wygrzewania

Tch - czas chłodzenia

Nagrzewanie ciągłe lub stopniowe podnoszenie temp. do żądanej wartości. Nagrzewanie - stopniowe może być podgrzewanie do temp. niższej niż temp. właściwa obróbki cieplnej. Dogrzewanie - nagrzewanie podobnego materiału do obróbki właściwej.

Wygrzewanie - utrzymywanie temp. odpowiadającej danemu zabiegowi, w czasie potrzeby do wyżarzenia temp. w całym przekroju materiału.

Chłodzenie - ciągłe lub stopniowe, powolne chłodzenie nazywany studzeniem przy chłodzeniu stopniowym wyróżnia się: podchłodzenie- do temp. wyższej niż końcowa, dochładzanie - chłodzenie od temp. podchładzania do temp. końcowej.

Zabiegi obróbki cieplnej dzieli się na:

- obróbkę cieplną zwykłą: uzyskanie właściwości następuje na drodze zmian struktury bez zmiany chemicznej: wyżarzanie, hartowanie, ulepszanie, utwardzanie, przechładzanie, wymrażanie.

- obróbka cieplno chemiczna: połączenie zabiegu cieplnego z oddziaływaniem środowiska chemicznego: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie, nasiarczanie, termo dyfuzyjne nasycanie metalami lub nie metalami.

-

---