METALOZNAWSTWO I PODSTAWY OBRÓBKI CIEPLNEJ

III sem, Niestacjonarne studia pierwszego stopnia

Pytania kontrolne

1. Klasyfikacja materiałów inżynierskich.

Metale, polimery, ceramika kompozyty

2. Wymienić wiązania międzyatomowe.

Jonowe, kowalencyjne, metaliczne. Silne topią się w temp. 1000-5000K

3. Scharakteryzować wiązanie jonowe.

Rodzaj wiązania chemicznego, którego istotą jest elektrostatyczne oddziaływanie między jonami o różnoimiennych ładunkach

W rzeczywistości jednak nie istnieją czyste wiązania jonowe i każde z nich ma też pewne cechy kowalencyjnego, co powoduje, że granica między tymi dwoma rodzajami wiązań jest bardzo płynna.

W kryształach substancji jonowych, nośniki ładunku (jony) są "więźniami" sieci krystalicznej. W stopionych lub rozpuszczonych kryształach jony są z niej uwolnione i są zdolne przewodzić prąd elektryczny. Trzeba pamiętać, że pojedyncze cząsteczki jonowe występują tylko w stanie gazowym.

4. Scharakteryzować wiązanie atomowe.

występuje podczas łączenia się atomów tego samego niemetalu, O2, H2 Cl2, F2 I2 Br2

5. Scharakteryzować wiązanie metaliczne.

ulegają one łatwiejszej polaryzacji pod wpływem np. pola elektrycznego ze względu na to, że ogólnie w metalach elektrony walencyjne są słabiej związane z jądrami atomów niż w niemetalach

nawet jeśli formalnie są wiązaniami pojedynczymi, ze względu na występowanie w metalach dużej liczby walencyjnych orbitali d zachodzi zjawisko ich nakładania się, co powoduje że wiązania te nabierają często charakteru częściowo wielokrotnego.

6. Podać główne cechy metali:

a) szczególną budowę elektronową atomów tworzących metal,

b) siły wiążące atomy (wiązanie metaliczne),

c) uporządkowane rozmieszczenie atomów w przestrzeni w postaci sieci krystalicznej,

500. własności stanu metalicznego.

7. Wymienić rodzaje sieci krystalicznych, co to jest liczba koordynacyjna?

Regularna, tetragonalna, zrombowa, romboedryczna, heksagonalna. Liczba koordynacyjna jest wielkością, która służy do stwierdzania, czy dany kompleks jest w stanie przyjąć jeszcze jakieś dodatkowe ligandy, czy też jego sfera koordynacyjna jest już całkowicie zapełniona Jest to liczba atomów przyłączona bezpośrednio do atomu centralnego kompleksu (zwykle metalu)

8. Omówić elementarne komórki sieci krystalicznych (A l, A2, A3 i tetragonalną).

Najmniejszym, powtarzającym się periodycznie w przestrzeni fragmentem sieci przestrzennej jest równoległościan nazywany komórką elementarną. Krawędzie komórki wyznaczają osi układu odniesienia, które określane są osiami krystalograficznymi. Rozmiary i kształt komórki elementarnej są określone przez stałe sieciowe, którymi są periody identyczności (a, b, c) oraz kąty pomiędzy osiami (α, β, γ). Sieć przestrzenna jest jednoznacznie określona przez jej komórkę elementarną. Nie mogą istnieć komórki elementarne sieci przestrzennej, których podstawą jest trójkąt[2].

9. Podać zasady wskaźnikowania kierunków i płaszczyzn krystalograficzych.

•Położenie dowolnego węzła można zapisać jako wektor wypadkowy:W= xa+ yb + zc a b, c -parametry sieci Współrzędne ujemne mają znak minus nad odpowiadającą im liczbą, np. 1,2,1

10. Co to jest anizotropia i izotropia własności?

Wykazywanie odmiennych właściwości (rozszerzalność termiczna, przewodnictwo elektryczne, współczynnik załamania światła, szybkość wzrostu i rozpuszczania kryształu) w zależności od kierunku. Ciała anizotropowe wykazują różne właściwości w zależności od kierunku, w którym dana właściwość jest rozpatrywana.

Anizotropię sprężystości i prędkości wzrostu wykazują wszystkie kryształy.

11. Co to są defekty punktowe struktur krystalicznych (podać przykłady)?

punktowe (wakanse-nie obsadzony atomem lub jonem węzeł sieci , obce atomy),

12. Co to jest dyslokacja krawędziowa?

Powstaje przez wprowadzenie w kryształ dodatkowej płaszczyzny. Cechą charakterystyczną dyslokacji jest duże odkształcenie sieci, co jest spowodowane dążeniem atomów sąsiadujących z linią dyslokacji do dostosowania swych położeń do warunków wytworzonych przez brak płaszczyzny

13. Co to są wady powierzchniowe (złożone) budowy kryształów?

niedoskonałości kryształów polegające na punktowym lub warstwowym zerwaniu regularności ich sieci przestrzennej. Defekty występują praktycznie we wszystkich rzeczywistych kryształach. Wynikają one z natury procesu krystalizacji.

14. Co to jest stopień przechłodzenia ciekłego metalu?

Z początku temperatura się obniża a następnie, w określonej i charakterystycznej dla danego metalu temperaturze, jest stała i następuje proces krzepnięcia metalu. Po czym znowu temperatura ponownie się obniża i następuje stygnięcie metalu.

15. Zarodkowanie homogeniczne i heterogeniczne w procesie krystalizacji.

W przypadku zarodkowania homogenicznego, zarodkami krystalizacji są grupy atomów fazy

ciekłej, stanowiące zespoły bliskiego uporządkowania. Muszą one osiągnąć wielkość krytyczną,

co na ogół wymaga dużych przechłodzeń. W ciekłych metalach na ogół występują zbyt małe

przechłodzenia (ok. 1°C), aby możliwe było zarodkowanie homogeniczne.

W przypadku zarodkowania heterogenicznego, powstawanie zarodków następuje na

powierzchniach fazy stałej stykającej się z cieczą. Zarodkowanie następuje na powierzchniach

ścian naczynia, na drobnych cząstkach stałych zawieszonych w cieczy, jak wtrącenia

niemetaliczne, nierozpuszczone zanieczyszczenia itp. Zarodkowanie może następować również

na warstewce stałych tlenków znajdującej się na powierzchni ciekłego metalu. W takich

warunkach krystalizacja przebiega przy znacznie mniejszym przechłodzeniu niż w przypadku

zarodkowania homogenicznego.

16. Wpływ stopnia przechłodzenia na średnicę krytyczną zarodka.

Gdy obniżamy temperaturę ciekłego stopu poniżej temperatury krystalizacji faza ciekła staje się niestabilna i pojawia się pewna objętość fazy stałej o niższej wartości G. Taka sytuacja sprzyja rozrostowi zarodka. Jednocześnie powstały kryształ ma powierzchnię, która działa przeciwnie i podwyższa energię

17. Co to jest energia swobodna i jaki ma związek ze stanem równowagi termodynamicznej?

w termodynamice, część energii układu fizycznego, która może być przekształcona w pracę. W szczególności do energii swobodnej zaliczamy:

• energię swobodną Helmholtza - część energii całkowitej układu, która może być zamieniona na pracę w procesie o stałej temperaturze,

• entalpię swobodną - część energii całkowitej układu, która może być zamieniona na pracę w procesie o stałej temperaturze i ciśnieniu.

18. Jaki jest wpływ stopnia przechłodzenia na strukturę odlewu?

19. Jakie skutki powoduje odkształcenie plastyczne metalu, dlaczego w czasie zgniotu materiał się umacnia?

Odkształcenie plastyczne metalu, które powstaje podczas deformacji na zimno, powoduje

znaczną zmianę jego własności fizycznych i mechanicznych. Zmiany te objawiają się przede

wszystkim wzrostem twardości i wytrzymałości przy jednoczesnym spadku własności

plastycznych , oraz obniżeniem przewodności elektrycznej i gęstości. Wzrost twardości i wytrzymałości związany z odkształceniem plastycznym ma duże znaczenie i

w pewnych przypadkach jest wykorzystywany w celu umocnienia materiału.

20. W jaki sposób można usunąć zmiany w metalu spowodowane odkształceniem plastycznym na zimno?

Często jednak zachodzi konieczność przywrócenia materiałom ich własności, jakie miały przed

odkształceniem plastycznym np. w celu obniżenia twardości lub uzyskania odpowiednich

własności fizycznych, takich jak np. dobra przewodność elektryczna (jest to bardzo istotne np. w

procesie ciągnienia drutów miedzianych przeznaczonych na przewody elektryczne). Obniżenie

twardości i zwiększenie plastyczności odkształconego metalu oraz przywrócenie innych

własności "fizycznych można uzyskać przez wyżarzanie, które polega na wytrzymaniu

odkształconego materiału przez pewien okres czasu w podwyższonej temperaturze, zwykle

powyżej jednej trzeciej bezwzględnej temperatury topnienia

21. Na czym polega rekrystalizacja metalu?

Jeśli odkształcony na zimno metal będzie poddawany dalszemu wygrzewaniu, to w pewnej

określonej temperaturze, wyższej od temperatury zdrowienia, zaczną powstawać zarodki nowych

nieodkształconych ziarn metalu. Nowe ziarna rozrastają się kosztem ziarn odkształconych i po

pewnym czasie wszystkie stare ziarna zostają zastąpione przez nowe.

22. Jakie procesy zachodzą w metalu podczas zdrowienia?

W czasie usuwania skutków odkształcenia plastycznego przez wyżarzanie można wyróżnić

trzy procesy, które kolejno zachodzą w odkształconym plastycznie metalu:

• zdrowienie,

• rekrystalizacja

• rozrost ziarna

Proces zdrowienia związany jest ze zmianą rozmieszczenia i gęstości defektów sieci

krystalicznej, głównie wakansów i dyslokacji. W odkształconym na zimno metalu istnieje gęsta

sieć dyslokacji, która powstała w wyniku poślizgów i wzajemnego oddziaływania dyslokacji. W

czasie zdrowienia następuje przemieszczanie i zmiana uporządkowania dyslokacji, co powoduje

zmniejszenie energii zmagazynowanej w odkształcanej sieci. Proces ten jest aktywowany

cieplnie.

23. Od czego zależy wielkość ziarna po rekrystalizacji?

Wielkość ziarna powstałego po rekrystalizacji zależy

przede wszystkim od następujących czynników:

• uprzedniego stopnia odkształcenia plastycznego na zimno,

• temperatury wyżarzania,

• czasu wyżarzania.

24. Co to jest krytyczne odkształcenie plastyczne (zgniot krytyczny)?

powoduje w czasie rekrystalizacji w wysokiej temperaturze wyjątkowo silny rozrost

ziarna.

Krytyczne odkształcenie plastyczne dla większości metali waha się w granicach od ok. l do 10%.

W wielu przemysłowych procesach technologicznych polegających np. na walcowaniu na

zimno i wyżarzaniu międzyoperacyjnym, występowanie krytycznego odkształcenia plastycznego

jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż daje materiał o strukturze gruboziarnistej o odpowiednich

własnościach mechanicznych oraz skłonny do pęknięć.

Istotnym czynnikiem wpływającym na wielkość ziarna po rekrystalizacji jest również

25. Wymienić czynniki wpływające na temperaturę początku rekrystalizacji.

od stopnia odkształcenia plastycznego, tj. im wyższy był jego stopień, tym niższa będzie temperatura rekrystalizacji

od składu chemicznego materiału.

26. Czym się różni przeróbka plastyczna na zimno od przeróbki na gorąco?

na zimno (duże siły, duża dokładność) do 0,4·Tt

na gorąco (małe siły, mała dokładność) od 0,6 do 0,9·Tt

27. Co to jest krytyczny stopień zgniotu (zgniot krytyczny)?

Nazywamy niewielki zgniot 3 - 10% po którym wielkość ziarna po rekrystalizacji jest maksymalna. Powodem tego jest mała liczba zarodków powstających po takim zgniocie. Jest to minimalne odkształcenie przy którym powstanie jeszcze niewielka liczba zarodków. Przy znacznej szybkości wzrostu prowadzi do utworzenia gruboziarnistej struktury.

28. Omówić techniczne znaczenie rekrystalizacji.

29. Jakie fazy występują w stopach metali?

Fazy międzymetaliczne; fazy elektronowe β, γ, ε; fazy Lavesa (ABz); fazy międzywęzłowei o strukturach złożonych; Fazy δ

30. Co to jest roztwór stały międzywęzłowy i różnowęzłowy? Roztwór stały podstawowy i wtórny?

roztwór stały międzywęzłowy, gdzie jeden pierwiastek również rozpuszczony jest w drugim. Tu atomy drugiego pierwiastka ulokowane są nie w tych miejscach, gdzie powinny znajdować się atomy pierwszego pierwiastka (czyli w węzłach sieci krystalicznej), lecz pomiędzy tymi atomami (czyli między węzłami). Roztwór stały różnowęzłowy. Zachowany jest charakter sieci. Węzły sieci są obsadzone różnymi atomami. Atomy dodatku stopowego zajmują przypadkowe pozycje

31. Co to jest roztwór stały ciągły i ograniczony? Wymienić czynniki sprzyjające tworzeniu się roztworów stałych podstawowych.

Niektóre pierwiastki tworzą ze sobą roztwory stałe nieograniczone, tzn. rozpuszczają się w

sobie całkowicie niezależnie od składu stopu, inne rozpuszczają się w stanie stałym tylko

częściowo (np. roztwory międzywęzłowe są z reguły ograniczone). W pierwszym przypadku

stopy mają strukturę jednofazową w całym zakresie składów chemicznych, a maksymalny

36 JW

wpływ umacniający pierwiastka stopowego występuje przy zawartości około 50%. W

roztworach stałych zostaje zachowana sieć krystaliczna metalu rozpuszczającego.

32. Co to są fazy międzymetaliczne? Czy fazy międzymetaliczne są twarde czy miękkie?

Składniki stopu w

stanie stałym mogą jednak tworzyć też tzw. fazę międzymetaliczną, charakteryzującą się

odmienną siecią krystaliczną niż sieci krystaliczne jej składników. Z reguły sieć krystaliczna fazy międzymetalicznej jest bardzo skomplikowana, co powoduje

jej dużą twardość i kruchość.

Ogólnie fazę międzymetaliczną określa się symbolem AnBm, co oznacza, że składa się ona z n

atomów składnika A i m atomów składnika B. W rzeczywistości tylko niektóre fazy

międzymetaliczne mają stały stosunek składników, większość ich istnieje w szerszym zakresie

stężeń, tzn. występuje również przy nadmiarze jednego ze składników.

33. Podać główne grupy faz międzymetalicznych (przykłady).

fazy Lavesa (AB_z); fazy międzywęzłowei o strukturach złożonych; Fazy δ

34. Jakiego rodzaju mieszaniny faz występują w stopach?

35. Co to jest wykres równowagi fazowej?

nie występują fazy będące czystymi składnikami, w sąsiedztwie

linii A i B, odpowiadających czystym składnikom, znajdują się obszary roztworów stałych

granicznych α (składnika B w składniku A) i β (składnika A w składniku B), przy czym

graniczną rozpuszczalność z lewej strony określa linia DF, z prawej — linia CG.

Między tymi liniami znajdują się stopy leżące poza granicami rozpuszczalności i stanowiące

mieszaninę dwóch roztworów stałych granicznych α + β. Jak widać na wykresie, graniczna

rozpuszczalność składnika B w składniku A stała, lecz zmienia się wraz z temperaturą (linia

DF), co prowadzi do wtórnej krystalizacji i wydzielania się z roztworu stałego α kryształów β .

Kryształy te noszą nazwę kryształów wtórnych i dla odróżnienia od pierwotnych kryształów β

oznaczane są zwykle symbolem β". Kryształów wtórnych nie zawierają jedynie stopy o stężeniu

składnika B mniejszym od stężenia odpowiadającego punktowi F.

W przeciwieństwie do tego, graniczna rozpuszczalność składnika A w składniku B nie zależy

od temperatury (linia CG jest linią pionową), toteż wydzielanie się wtórnych kryształów α w

tym przypadku nie zachodzi.

36. Co nazywa się fazą, a co składnikiem układu?

Faza jest to jednorodna część układu oddzielona od innych jego części (faz) powierzchnią

rozdziału, czyli granicą fazy, po przekroczeniu której własności fizyczne czy też struktura

zmieniają się w sposób nieciągły.

Składnikami układu nazywa się substancje tworzące dany układ. Dla przykładu czysty metal

tworzy układ jednoskładnikowy, stop dwóch metali — układ dwuskładnikowy itd. Fazy

międzymetaliczne uważa się także za składniki, jeśli w rozpatrywanym zakresie temperatury nie

rozkładają się na pierwiastki składowe.

37. Wyjaśnić powstawanie mikrosegregacji.

38. Podać i wyjaśnić regułę faz Gibbsa.

Przy założeniu, że w rozpatrywanym układzie wszystkie przemiany zachodzą przy stałym i

niezmiennym ciśnieniu, reguła faz wyraża się wzorem

s = m - f + l

gdzie: s - liczba stopni swobody,

m - liczba składników,

f - liczba faz.

Dla rzeczywistych układów wielofazowych liczba stopni swobody wynosi zwykle 0, l lub 2.

Gdy S = 0, układ jest niezmienny, czyli nie można zmieniać ani temperatury, ani składu

chemicznego bez spowodowania zmiany liczby faz w układzie.

Gdy S = l, układ jest jednozmienny. Oznacza to, że nie zmieniając liczby faz w układziemożna zmienić (w pewnych granicach) temperaturę bądź skład chemiczny.

Gdy S = 2, układ jest dwuzmienny. Oznacza to, że nie zmieniając liczby faz w układzie

można zmienić (w pewnych granicach) temperaturę i skład chemiczny.

---