Cząstki elementarne:
-elektrony, protony, neutrony
Pierwiastek chemiczny- jest zbiorem atomów o jednakowych ładunkach jąder. W przyrodzie występują pierwiastki o liczbach atomowych od 1 do 94.
Budowa atomu: Teoria budowy atomu opracow- ano z wykorzystaniem mechaniki falowej. Zgodnie z założeniami mechaniki falowej cząstkom materii przypisuje się własności charakterystyczne dla światła. Molekularny i falowy charakter światła należy rozumieć w taki sposób, że światło złożone z tzw. Fotonów porusza się zgodnie z prawami mechaniki falowej: Dotyczy to dyfrakcji elektronów przechodzących przez kryształy.
Położenia i prędkości elektronów otaczających jądro atomu, zgodnie z zasadą nie oznaczoności nie można dokładnie opisać. Można tylko określić prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w poszczególnych miejscach otaczających jądro. Strukturę elektronową należy sobie wyobrazić jako chmurę elektronową wokół jądra.
Stany energetyczne elektronu w atomie:
Liczby kwantowe:
-główna n=1-7
-poboczna n-1≥ L
-magnetyczna +L≥ml≥-L
-spinowa ms=±1/2
Liczba Główna kwantowa -określa liczbę powierzchni, ze środkiem w jądrze, lub płaszczyzn przechodzących przez jądro, na których gęstość chmury elektronowej jest równa zero. Oznacza się je: liczbami od 1 do 7 oraz literami KLMNOPQ.
Poboczna liczba kwantowa - określa pod powłoki elektronowe, oznaczone odpowiednio s,p,d,f, gdy l=1,2,3. Określa ona liczbę płaszczyzn węzłowych przechodzących przez jądro atomu i charakteryzuje moment pędu elektronu.
Magnetyczna liczba kwa-
Ml jest miarą orientacji momentu pędu elektronu i określa składową tego momentu w kierunku przyłożonego pola magnetycznego.
Spinowa liczba kwantow-
Ms ujmuje wpływ pola magnetycznego wytwarzanego przez elektron wirujący wokół swojej osi. Znak liczby spinowej zależy od tego, czy elektron jest ustawiony równolegle, czy antyrównolegle do lini sił pola magnetycznego.
Gazy szlachetne- charakteryzują się one całkowitym wypełnieniem wszystkich powłok elektronowych, czyli liczba elektronów walencyjnych=8
Metale alkaliczne i ziem alkalicznych -atomy tych pierwiastków zawierają 1 lub 2 elektrony walencyjne które są łatwo oddawane w łączeniu z innymi atomami.
Zakaz Pauliego - w jednym atomie nie może być dwóch elektronów o identycznej kombinacji liczb kwantowych.
Klasyfikacja pierwiastków chemicznych - pierwiastki chemiczne uporządkowano według wzrastającej liczby atomowej.Pierwiastki o zbliżonych własnościach znajdują się obok siebie w tzw.ukł. okresowym pierwiastków.
Klasyfikacja wiązań pierwotnych między atomami:
-jonowe
-atomowe
-metaliczne
Wiązania jonowe - powstają wtedy gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny. W wyniku utraty elektronów walencyjnych przez jeden atom i przyłączenia tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskują oktetowe konfiguracje elektronowe.
Wiązania atomowe - występują wtedy gdy elektrony walencyjne pierwotnie różnych atomów tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów.
Wiązania metaliczne - występuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu się na wystarczająco małą odległość, charakterystyczną dla stałego stanu skupienia, oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów. Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomów.
Wiązania wtórne - występują między wszystkimi atomami lub cząsteczkami, lecz ich obecność może być stwierdzona, jeżeli występuje choć jedno z trzech wiązań pierwotnych. Wiązania wtórne są ewidentne między atomami gazów szlachetnych, które mają stabilną strukturę elektronową, a ponadto między cząsteczkami utworzonymi w wyniku wiązań atomowych.
Siły van der Waalsa - występują między dipolami cząsteczek lub atomów. Elektryczne dipole występują w przypadku rozdzielenia ładunków dodatnich i ujemnych w atomie lub cząsteczce. Wiązanie van der Waalsa jest wynikiem przyciągania siłami Coulomba między dodatnim końcem jednego , a ujemnym końcem drugiego dipola. Odziaływanie takie występuje między:
-dipolami wyindukowanymi
-dipolami wyindukowanymi i cząsteczkami spolaryzowanymi
-cząsteczkami spolaryzowanymi.
PODSTAWOWE grupy materiałów
Materiałami - nazywa się ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka dla wytwarzania produktów.
-Materiały naturalne - wymagające jedynie nadania kształtu, dla technicznego zastosowania. Np.: drewno, skały i minerały.
-Materiały inżynierskie - nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania złożonych procesów wytwórczych dal ich przystosowania do potrzeb technicznych po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze . np.: polimery, metale i ich stopy, materiały ceramiczne.
Polimery- to materiały organiczne , złożone ze związków węgla. Są one makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuch wielu grup atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów.
Podział w zależności budowy i kształtu:
-liniowe,
-liniowe z rozgałęzieniami,
-nieznacznie usieciowane z wiązaniami poprzecznymi,
-silnie usieciowane,
Własności:
-mała gęstość,
-izolacyjne własności cieplne i elektryczne,
-słabo odbijają światło i zwykle są przeźroczyste,
Podział ze względu na własności użytkowe polimerów:
-plastomery - są polimerami charakteryzującymi się wydłużeniem przy rozerwaniu zwykle nie przekraczającym 200% i dzielą się na
a)termoplasty - po podgrzani przechodzą w stan plastyczny, a twardnieją po ochłodzeniu, zachowując zdolność do następnego uplastycznienia po ponownym nagrzaniu.
b)duroplasty - dzielą się na : polimery termoutwardzalne czyli takie które utwardzają się w podwyższonej temp. oraz polimery chemoutwardzalne czyli takie które ulegają stwardnieniu pod działaniem utwardzaczy,
-elastomery - są polimery cechujące się dużą skłonnością do odkształceń sprężystych, a po poddaniu dużemu odkształceniu w temp. Pokojowej i po następnym odciążeniu powracają do pierwotnej postaci lun do bardzo zbliżonej.
MATERiały ceramiczne-
Ceramikę - stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji.
Podział:
-ceramika inżynierska - wytwarzana jest w wyniku spiekania, w wysokiej temp., bez udziału fazy ciekłej, bardzo czystych związków wykazujących w stanie stałym postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie teoretyczną gęstość.
-cermetale - złożone z drobnych cząsteczek krystalicznych równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów stanowiących lepiszcze o udziale masowym 5-15%, wykazując gęstość prawie teoretyczną.
-ceramika porowata - charakteryzuje się sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne. Jest ona określana również jako tradycyjna, klasyczna lub wielko montażowa
-szkła - stan struktury szkieł jest pośredni między stanami ciekłym i stałym. Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia, zapewniając powstanie fazy krystalicznej.
-ceramika szklana - powstaje przez krystalizację masy szklanej w ściśle określony sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością tylko ok.2% fazy szklistej.
MATERIAŁY KOMPOZYTOWE - są połączeniem dwóch lub więcej odrębnych i nie rozpuszczających się w sobie faz, których wspólne własności i cechy strukturalne są wyższe niż każdej z tych faz oddzielnie
Faza powodująca wzmocnienie kompozytów nazywana także zbrojeniem może być wprowadzone w postaci:
-drobnych cząstek, niekiedy dyspersyjnych,
-krótkich włókien lub płatków,
-włókien ciągłych,
ELEMENTY sieci przestrzennej kryształu
W kryształach atomy są ułożone w odstępach okresowo powtarzających się w co najmniej trzech równoległych kierunkach. Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch atomów w krysztale jest nazywana prostą sieciową. Najbliższa odległość atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej nosi nazwę podstawowego periodu identyczności lub parametru sieci.
Elementy sieci przestrzennej:
-płaszczyzny sieciowe
-proste sieciowe, będące śladami przecięcia płaszczyzn sieciowych.
-węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych.
Elementarna komórka sieciowa - trzy rodziny równoległych płaszczyzn sieciowych dzielą sieć przestrzenną na identyczne równoległościany o parametrach a,b,c, stanowiących podstawowe periody identyczności sieci. Równoległościany te są nazywane elementarnymi komórkami sieciowymi i w pełni charakteryzują dany kryształ o sieci prymitywnej.
Układy krystalograficzne - rodzaj elementów symetrii w elementarnej komórce sieciowej decyduje o podziale kryształów na siedem grup:
-Trójskośny
-Jednoskośny
-Rombowy
-Romboedryczny
-Heksagonalny
-Tetragonalny
-Regularny
Typy sieci przestrzennej: W zależności od tego, czy elementarne komórki sieciowe mają atomy wyłącznie na narożach, czy także wewnątrz lub na ścianach bocznych, w ramach układów krystalograficznych występuje łącznie 14 typów sieci przestrzennej Bravais'go.
W celu dokładnego scharakteryzowania sieci krystalicznej konieczne jest podanie układu krystalograficznego i typu sieci przestrzennej oraz periodów identyczności i kątów między nimi zawartych.
Wskaźnik elementów sieci przestrzennych: W wielu zagadnieniach metaloznawczych istnieje konieczność jednoczesnego określenia węzłów, kierunków i płaszczyzn w sieci krystalograficznej. Dla każdego elementu sieci dokonuje się tego przez podanie trzech liczb:
-wskaźników węzła,
-wskaźników kierunku,
-wskaźników płaszczyzny,
Współrzędne węzła sieciowego - określają liczby periodów identyczności a, b i c o które jest oddalony węzeł od początku układu współrzędnych odpowiednio wzdłuż jego osi x, y oraz z. Osie x,y,z, układu współrzędnych są równoległe do krawędzi elementarnej komórki sieciowej.
Wady budowy krystalicznej: ze względu na ich cechy geometrycznej:
-punktowe,
-liniowe,
-powierzchniowe,
1.Wady punktowe:
Wady te cechują się niewielkimi wymiarami we wszystkich kierunkach, należą wakanse, tj. wolne węzły w sieci krystalicznej, oraz atomy międzywęzłowe, które zajęły pozycje w lukach, opuszczając węzły sieci na skutek drgań cieplnych. Obecność zarówno wakansów, jak i atomów międzywęzłowych, powoduje wokół nich lokalne odkształcenie sieci przestrzennej kryształu, zwane odpow. Konstrukcją lub ekspansją.
Defekt Schottky'ego - pierwszy mechanizm, zwany defektem Schottky'ego, polega na przemieszczeniu się atomu w miejscu sąsiadującego wakansu, w wyniku czego powstaje wakans w innym miejscu sieci.
2.Dyslokacje i ich własności.
Liniowymi wadami budowy krystalicznej są dyslokacje:
-krawędziowa,
-śrubowa,
-mieszane,
Dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź ekstra płaszczyzny, tj. półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. W zależności od położenia dodatkowej półpłaszczyzny dyslokacje mogą być dodatnie lub ujemne.
Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej. Wektor Burgersa dyslokacji śrubowej jest równoległy do jej lini. Mogą być prawo lub lewo skrętne.
Dyslokacje mieszane są to dyslokacje o dowolnej orientacji wektora Burgersa względem lini dyslokacji. Można je traktować jako nałożone na siebie dyslokacje krawędziowe i śrubowe. Tworzą one w obrębie kryształu zamknięte pętle, które nie mogą być przerwane chyba że wyjdą na powierzchnie. Krzywoliniowe odcinki pętli są dyslokacjami mieszanymi, natomiast odcinki pętli, do których wektor Burgersa jest prostopadły lub równoległy, są odpowiednio dyslokacjami krawędziowymi lub śrubowymi.
Polikrystaliczna struktura metali:
Metale w stanie stałym mogą występować jako:
-monokryształy,
-polikryształy,
Monokryształy charakteryzują się prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym atomów z zachowaniem jednakowej orientacji wszystkich elementarnych komórek sieciowych w całej objętości kryształu. Są one ciałami anizotropowymi i dlatego wykazują silną zależność własności fizycznych, mechanicznych i innych od kierunku pomiaru lub pobrania próbki.
Polikryształ jest to metal techniczny otrzymany konwencjonalnymi metodami metalurgicznymi. Składają się z ziaren, w których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną. Przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziaren w metalach decyduje o niemal jednakowych własnościach tych materiałów w różnych kierunkach, dlatego noszą nazwę quasi izotropowych.
Granice ziaren stanowią wady powierzchniowe budowy krystalicznej i dzielą się na:
-wąskokątowe,
-szerokokątowe,
Granice między ziarnami różnych faz są nazywane granicami międzyfazowymi i dzielą się na:
-koherentne,
-półkoherentne,
-niekoherentne,
Stopy metali - są to substancje dwu lub wieloskładnikowe, makroskopowo wykazujące własności metaliczne. Co najmniej jeden z głównych składników stopu jest metalem. Składnikami stopów są substancje proste lub złożone. Skład chemiczny stopów jest wyrażony przez: -stężenie masowe składników lub stężenie atomowe składników.
Stężenie masowe jest to stosunek masy danego składnika do całej masy stopu podany w procentach.
Fazy - jest to jednorodna część stopu, oddzielona od pozostałej jego części granicą międzyfazową. Poszczególne fazy stopu zwykle dość znacznie różnią się od siebie własnościami. Liczba, rodzaj i własności faz są uzależnione od składu chemicznego stopu. Zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej jest nazywany układem.
Stopy metali są wytwarzane głównie przez topienie i krystalizację ze stanu ciekłego. W wyniku tych procesów z cieczy będącej roztworem wszystkich składników stopu mogą być: -roztwory stałe, -fazy międzymetaliczne, -mieszaniny faz,
Roztwór stały - stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych. Metal którego atomy występują w sieci w przewadze, jest rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczanym.
Roztwory mogą być: -podstawowe, -wtórne,
Roztwór stały jest nazywany roztworem stałym podstawowym, gdy rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu. Gdy rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna, roztwór stały nosi nazwę roztworu stałego wtórnego.
W zależności od zakresu stężenia składnika rozpuszczonego roztwory stałe mogą być podzielone na: -graniczne, -ciągłe,
Czynniki decydujące o tworzeniu roztworów stałych można ująć w formie czterech reguł: -elektrowatościowosci ujemnej, -typów sieci, -wielkości atomów, -względnych wartości, Od reguł tych obserwuje się jednak wyjątki.
W roztworach stałych składnika rozpuszczonego mogą być rozmieszczone: -w przestrzeniach między węzłowych rozpuszczalnika w roztworach stałych międzywęzłowych, -w węzłach siei krystalicznej rozpuszczalnika, zastępując jego atomy w roztworach stałych różnowęzłowych, -zupełnie przypadkowo,
Fazy międzykrystaliczne są połączeniami metali lub metalami z niemetalami i wykazują własności metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego między atomami wchodzącymi w skład fazy.
Cechy faz międzykrystalicznych:
-struktura krystaliczna faz międzymetalicznych różni się od struktury każdego ze składników.
-atomy każdego ze składników wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalicznej.
-w oddziaływaniach między atomami występuje przewaga wiązania metalicznego.
-wzajemne stosunki ilościowe atomów składników rzadko odpowiada wartościowościom chemicznym pierwiastków, jakie wykazuje ona w związkach chemicznych, chociaż fazom można przypisać wzory podane do wzorów związków chemicznych.
Reguła faz W. Gibbsa. Zgodnie z tą regułą suma maksymalnej liczby faz, które mogą współistnieć w układzie w stanie równowagi, oraz liczby stopni swobody jest równa liczbie niezależnych składników układu powiększonej o 2.
f+z+=s+2
Odmiany alotropowe żelaza:
-α w temp. do 912°C. (ferryt)
-γ w temp. od 912 do 1394°C (austenit)
Zarodkowanie homogeniczne zachodzi w cieczy metalicznej całkowicie jednorodnej, a w jego wyniku powstaje zupełnie jednorodna faza stała.
Zarodkowanie heterogeniczne Polega ono na tworzeniu zarodka na obcym podłożu o stanie stałym. Funkcje podłoża spełniają ściany formy odlewniczej i cząstki wysokotopliwych zanieczyszczeń znajdując się w stanie stałym w cieczy metalicznej. Zarodek podkrytyczny powstający na płaszczyźnie ma kształt kulistej czaszy.
Szybkość krzepnięcia uzależniona jest od:
-szybkości zarodkowania vz, tj. od ilości zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości cieczy metalicznej.
-liniowa szybkości krystalizacji vk, tj. szybkość przesuwania się frontu krystalizacji, mierzonej w jednostkach długości na jednostkę czasu.
Podział mieszanin eutektycznych:
-płytkowe, -słupkowe, -ziarniste, -iglaste.
Płytkowe i słupkowe mieszaniny eutektyczne. Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym, po osiągnięciu przechłodzenia krytycznego, rozpoczyna się heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz. Ziarniste i iglaste mieszaniny eutektyczne. Krystalizacja mieszanin eutektyczne może być również zapoczątkowane stałym heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz w cieczy metalicznej przed frontem krystalizacji. Osnowa krystalizuje niezależnie z cieczy, w której istnieją już wydzielenia drugiej fazy. Mają one stosunku do osnowy przypadkową orientację krystalograficzną. Wydzielenia są sferoidalne przy wzroście izotropowym, a iglaste w warunkach anizotoropii ich wzrostu.
Rodzaje obróbki plastycznej.: -walcowanie, -kucie, -prasowanie, -ciągnienie.
W zależności od wymaganych własności wyrobów hutniczych oraz rodzaju obrabianego metalu lub stopu obróbka plastyczna może odbywać się na zimno i na gorąco. Obróbka plastyczna na zimno jest wykonywana na zimno jest wykonywana w temp. niższej od temp. rekrystalizacji, a na gorąco powyżej tej temp.
Mechanizmy odkształceń plastycznych:
-poślizg dyslokacyjny, -bliźniakowanie, -pełzanie dyfuzyjne, -pełzanie dyslokacyjne, -poślizg po granicach ziaren.
Mechanizm poślizgu - polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje nie zmieniona.
Bliźniakowanie - polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania. Zblixniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób, że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania.
Granica plastyczności jest nazywana naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach. Metale często wykazują górną i dolną granice plastyczności. Górna granica plastyczności najczęściej jest wyjaśniana odrywaniem się dyslokacji od tzw. atmosfer Cottrells, tj. atmosfer atomów obcych usytuowanych w pobliżu jądra dyslokacji. Dolna granica plastyczności zwiększa się wraz ze zmniejszeniem wielkości ziaren, zgodnie równaniem Halla-Petcha:
Red=σo+k*d-1/2
Zarodki rekrystalizacji powstają heterogenicznie w obszarach o największej krzywiźnie sieci. Zarodkowanie polega na: -wzroście podziarn, -migracji odcinków szerokokątnych granic ziaren pierwotnych.
Rekrystalizacja pierwotna: energia zmagazynowana w odkształconym metalu jest siłą napędową wzrostu nowych ziaren z zarodków rekrystalizacji kosztem odkształconej osnowy. Proces ten, polegający na migracji szerokokątowych granic zarodków rekrystalizacji, jest nazywany rekrystalizacją pierwotną i trwa aż do chwili, gdy zrekrystalowanane ziarna obejmą całą objętość uprzednio odkształconego plastycznie metalu. Temp rekrystalizacji jest uzależniona od: -stopnia gniotu, sposobu, temperatury i szybkości odkształcenia plastycznego, czasu wyżarzania, wielkości ziaren odkształconego metalu.
Obróbka cieplna: -cieplna zwykła, -cieplno-chemiczna, -cieplno-mechaniczna, -cieplno-magnetyczna.
Obróbka cieplna zwykła dzieli się na:
1.Wyżarzanie
2.Hartowanie i odpuszczanie.
3.Przesycanie i starzenie.
Operacje obróbki cieplnej:
Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temp. elementu obrabianego cieplnie. Wygrzewanie polega na wytrzymywaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temp. Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie z mała szybkością nazywamy studzeniem, natomiast z dużą oziębianiem. Wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temp. podczas chłodzenia nazywamy wychładzaniem.
Tworzenie się austenitu. Warunkiem rozpoczęcia procesu się austenitu z mieszaniny ferrytu i cementytu jest nagrzewanie stali do temp. wyższej od Ac1. Po nagrzaniu do tej temp. na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu następuje nie jednorodne zarodkowanie austenitu. Przemiana ma charakter dyfuzyjny gdyż rozrastające się zarodki tej fazy rozpuszczają zarówno cementyt jak i ferryt. W kolejnych fazach tworzenia się austenitu następuje rozpuszczenie węglików i ujednorodnienie składu chemicznego austenitu. Przemiana ferrytu w austenit o małym stężeniu węgla przebiega z dużą szybkością, natomiast rozpuszczanie się cementytu w austenicie, wymagające dyfuzji węgla na znaczne odległości , zachodzi z niewielką szybkością.
Metody ujawniania austenitu.
1.Metoda nawęglania stali niskowęglowej w ośrodku stałym z następnym kontrolowanym chłodzeniem umożliwia obserwacje metalograficzne siatki cementytu na granicach ziaren austenitu pierwotnego w warstwie nawęglonej, wytrawionej nitalem lub zasadowym pikrynianem sodu.
2.Matoda utleniania polega na obserwacji siatki ferrytu utworzonej na granicach ziarn austenitu pierwotnego w wyniku odwęglania przygranicznych obszarów ziaren w czasie austenityzowania stali eutektoidalnej w atmosferze utleniającej, po następnym ochłodzeniu w wodzie lub powietrzu.
3.Metoda siatki ferrytu lub cementytu stosuje się do obserwacji ziarna austenitu pierwotnego w stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych, gdyż na granicach austenitu podczas odpowiedniego chłodzenia wydziela się ferryt lub cementyt w postaci siatki.
4.Metoda trawienia roztworem kwasu pikrynowego i kwasu solnego w alkoholu etylowym umożliwia obserwację ziarna austenitu pierwotnego w stalach, przede wszystkim stopowych, zahartowanych na martenzyt. W celu wyraźniejszego wytrawienia granic ziarn austenitu pierwotnego w niektórych stalach korzystne jest zastosowanie uzupełniającego odpuszczania w temp ok. 450C.
Przemiany martenzytyczne: Jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temp Ms, początek tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejsza nawet od ok. 200C przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej.
Przemiana bajnityczna: łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temp w zakresie ok. 450-200C. W wyniku przemiany powstaje bainit. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna się dyfuzyjne przemieszczenia węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji.
Przemiana perlityczna: Zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temp Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwanej perlitm. Siła pędna przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu.
Rodzaje wyżarzania:
Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temp 1050-1200C o ok. 100-200C niższej od temp solidusu, wygrzewaniu długotrwałym w tym zakresie temp i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewów stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.
Wyżarzanie rekrystalizujące: polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temp wyższej od temp rekrystalizacji, wygraniu w tej temp i chłodzeniu z dowolną szybkością.
Wyżarzanie odprężające: polega na nagrzaniu stali do temp Ac1, wygrzaniu w tej temp i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odpowiednio odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych obróbką plastyczną.
Wyżarzanie normalizujące: polega na nagrzaniu stali do temp o 30-50C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temp i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali.
Hartowanie.
Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzaniu stali do temp austenityzowania, wygrzaniu w tej temp i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.
Hartowanie bainityczne w tym hartowaniu stosuje się chłodzenie w temp mniejszej od krytycznej.
Utwardzalność to podatność stali na hartowania, miarą której jest zależność największej twardości od warunków austenityzowania. Jest ona uzależniona od warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie.
Przehartowalność: rozumie się podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia. Wpływa na nią stężenie węgla i pierwiastków stopowych w roztworze stałym podczas austenityzowania, stopień jednorodności austenitu oraz wielkości jego ziaren.
Odpuszcanie.
1.Odpuszczanie niskie - jest wykonywane w temp 150-200C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.
2.Odpuszczanie średnie - odbywa się w temp 250-500 C. Jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zachowuje dużą wytrzymałość i sprężystość.
3.Odpuszczanie wysokie: odbywa się w temp powyżej 500C. Lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali. Stosowane między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re.
Absorpcja polega na osadzaniu się wolnych atomów, z fazy gazowej lub ciekłej, na granicy fazy stałej w postaci warstewki o grubości jednego atomu. Przyczyną absorpcji są siły przyciągania atomów ośrodka gazowego lub ciekłego przez niewysycone rdzenie atomów występujące na powierzchni metalu.
Dyfuzja jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku stężenia składników.
Przewężenie to stosunek zmniejszania pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania do pola powierzchni jej przekroju początkowego, wyrażony w procentach. Z=(So-Su)/So*100%
Twardość jest własnością której nie można zdefiniować jednoznacznie. Próby sklasyfikowania w zależności od rodzaju oporu materiału, stawianego podczas próby. Są to:
1.Statyczna próba twardości, podczas których opór materiału spowodowany działaniem obciążenia statycznego jest związany z odkształceniami plastycznymi.
2.Dynamiczne próby twardości, podczas których opór materiału wywołany działaniem obciążenia udarowego jest związany z odkształceniem plastycznym lub sprężystym.
3.Próby zarysowania, w których opór materiału jest związany z jego zarysowaniem.
4.Próby twardości, o której decyduje ścieralność materiału.
Zmęczeniem nazywane są zmiany zachodzące w metalu pod wpływem zmiennych, niekiedy okresowo, naprężeń lub odkształceń, ujawniające się albo przez zmniejszenie wytrzymałości i trwałości, albo przez zniszczenie w wyniku pęknięcia.
Klasyfikacja zjawisk zmęczeniowych:
1.Lokalne odkształcenie plastyczne przejawiające się pasmami poślizgów i bliźniakowaniem oraz szczególnymi odmianami pasm poślizgu zwanymi ekstruzjami i intruzjami
2.Cykliczne umocnienie i odmocnienie
3.Zarodkowanie, rozwój i łączenie się mikropęknięć zmęczeniowych
Pasmo poślizgu: są one widocznymi oznakami odkształcenia plastycznego i zwykle składa się z różnej liczby lini poślizgów. W przekroju poprzecznym pasma poślizgów tworzą uskoki zwane też schodkami. Przebieg i geometria poślizgów oraz budowa pasm poślizgów związane są ze strukturą krystaliczną metalu lub stopu oraz z warunkami odkształcenia plastycznego.
Źródła pęknięć zmęczeniowych:
1.Pasma poślizgów, zwykle w zakresie ograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej i poniżej granicy zmęczenia.
2.Bliźniaki.
3.Granice ziarn i podziarn, zwykle przy wysokich amplitudach naprężeń i podwyższonej temp.
4.Wtrącenia niemetaliczne.
5.Wydzielenia faz wtórnych.
6.Powierzchnia lub warstwa wierzchnia.
7.granica podziału między rdzeniem i warstwą wierzchnią lub granica podziału między podłożem i powłoką w elementach obrobionych powierzchniowo.
8.Wady pochodzące z procesu produkcyjnego.
Pełzanie jest to proces odkształcania plastycznego związany z bardzo małą szybkością odkształcenia. Podczas pełzania w stałej, wysokiej temp metal ulega odkształceniu plastycznemu pod działaniem prawie stałego naprężenia lub stałego obciążenia, a wielkość zmieniająca się w czasie jest szybkość odkształcania. Przyłożone naprężenia nie przekracza 25% wartości granicy plastyczności w danej temp i dlatego szybkość odkształcenia jest mała. W zależności od temp i naprężenia można wydzielić 3 rodzaje pełzania:
-niskotemp, -wysokotemp, -dyfuzyjne.
Korozja jest to zjawisko niszczenia metali i ich stopów w wyniku elektrochemicznych reakcji z otaczającym środowiskiem. Ze względu na typ reakcji powodującej zniszczenie metalu lub stopów może być dokonany podstawowy podział korozji metali i stopów na elektrochemiczną i chemiczną.
Odmiany korozji:
1.Korozja równomierna polega na niemal jednostajnym na całej powierzchni niszczenia metalu w miarę upływu czasu. Szybkość korozji równomiernej jest podawana w mm/rok lub mg/dm2*doba.
2.Korozja wżerowa charakteryzuje się zróżnicowaniem szybkości niszczenia metalu lub stopu w różnych obszarach jego powierzchni. Stosunek największej głębokości wżerów do głębokości średniej, wynikającej z ubytku masy próbki, nosi nazwę współczynnika korozji żerowej.
3.Korozja selektywna polega na niszczeniu jednej lub kilku faz stopu ze znacznie większą szybkością od szybkości uszkadzania osnowy stopu. W wyniku tego porowata pozostałość zachowuje w prawdzie pierwotny kształt wyrobu, lecz jego wytrzymałość ulega znacznemu zmniejszeniu.
4.Korozja międzykrystaliczna przebiega równie na granicach ziaren metali lub ich stopów postępując z bardzo dużą szybkością i sięgając na dużą głębokość. Korozja ta powoduje nierzadko katastrofalne zniszczenia w wyniku znacznego zmniejszenia wytrzymałość i ciągliwości metalu, bez wyraźnie widocznych zewnętrznie objawów.
5.Korozja naprężeniowa i zmęczeniowa jest ona powodowana jednoczesnym działaniem środowiska korozyjnego i naprężeń rozciągających stałych lub zmiennych. Gdy na metal lub stop poddany stałemu naprężeniu rozciągającemu działa w środowisko korozyjne, występuje korozja naprężeniowa. Naprężenie rozciągające powoduje korozję naprężeniową może być przyłożone z zewnątrz lub być naprężeniem wewnętrznym wywołanym obróbką plastyczną, cieplną lub spawaniem.
Ochrona przed korozją:
-dobór składu chemicznego stopów pracujących w warunkach korozji.
-ochrona katodowa, -ochrona protektorowa, -ochrona anodowa, -stosowanie inhibitorów, -powłoki i warstwy ochronne, -ograniczenie oddziaływania środowiska korozyjnego.
Zużycie trybologiczne podział:
-zużycie ścierne, -zużycie adhezyjne, -scuffing, -zużycie z udziałem utleniania, -zużycie zmęczeniowe.
Zużycie ścierne ma miejsce, gdy w obszarach tarcia współpracujących elementów występują utwierdzone albo luźne cząstki ścierniwa, lub wystające nierówności twardego materiału. Zużycie ścierne może następować przez:
-ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach,
-luźne pojedyncze ziarn ścierne, w tym także powstające w obszarze tarcia w wyniku utleniania produktów zużycia,
-warstwę ścierną występującą między współpracującymi powierzchniami,
-strumień ścierny,
-ścieranie w środowisku ściernym
Zużycie zmęczeniowe może być:
-powierzchniowe, charakteryzujące się miejscowymi ubytkami warstwy wierzchniej materiału spowodowanymi obciążeniami kontaktowymi,
-objętościowe, związane z tworzeniem się pęknięć zmęczeniowych w wyniku wielokrotnych makroskopowych odkształceń sprężystych oraz wielokrotnych odkształceń sprężystych oraz wielokrotnych odkształceń sprężysto-plastycznych lub plastycznych spowodowanych przez tarcie i wywołujących powierzchniowe pęknięcia zmęczeniowe,
Do rodzaju zużycia zmęczeniowego należą:
-zużycie przez łuszczenie,
-zużycie guzełkowe,
Ogólna charakterystyka procesów wytwarzania produktów.
Proces przetwarzania surowców materiałowych w produkty znany jest wytwarzaniem. Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materiałowych w różnych procesach przy użyciu różnych maszyn i operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega na właściwym wykorzystywaniu zasobów: materiałów, energii, kapitału i ludzi. Współczesne wytwarzanie jest kompleksowe działanie łączącym ludzi, którzy wykonują różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narzędzi, w różnym stopniu zautomatyzowanym, włączając komputery i roboty. Aspekt techniczny tego działania projektowania produktu łączącego w sobie 3 równie ważne i nierozdzielne elementy:
-projektowanie konstrukcyjne,
-dobór materiałów,
-projektowanie technologiczne,
Studium projektowania inżynierskiego.
1.Polega na opracowaniu koncepcji, połączonym z ogólnym wyspecyfikowanym dostępnych materiałów i procesów technologicznych.
2.Ogólnego projektowanie inżynierskie określa kształt i przybliżoną wielkość elementów, stosując inżynierskie metody analizy. W tym stadium projektant ogólnie typuje klasę stosowanych materiałów oraz rodzaj procesu technologicznego. Własności materiałów należy przy tym określić bardziej precyzyjnie.
3. W stadium szczegółowego projektowania inżynierskiego ostatecznie dobiera się zarówno materiał, jak i proces technologiczny. Dokonuje się wówczas doboru jednego, odpowiedniego materiału oraz najwyżej kilku wariantów procesu technologicznego. Wiąże się to również z podjęciem decyzji dotyczącej tolerancji wymiarowych, optymalizację ze względu na stan wytężenia oraz doborem najlepszego procesu technologicznego z wykorzystaniem metodologii inżynierii jakości oraz symulacji kosztów. W zależności od znaczenia projektowanego elementu, własności materiałów powinny być znane projektantowi bardzo szczegółowo.
Czynniki uwzględniane podczas projektowania inż.
Czynniki funkcjonalne:
1.Specyfikacja parametrów użytkowych:
-określenie potrzeb, -ustalenie ryzyka i konsekwencji jego wymagań, -konsekwencje zawyżonych wymagań.
2.Elementy projektowanie: -podejście probabilistyczne lub deterministyczne, -uwzględnienie naprężeń lub obciążeń, -ograniczenie wymiarów masy lub objętości, -trudne warunki pracy, -przewidywanie możliwych uszkodzeń, -niezawodność, -łatwość konserwacji, -dostępność, -łatwość prowadzenia napraw, -skala produkcji, -analiza wartości.
3.Przeprojektownie: -analiza projektu, -uproszczenia i modernizacje, -alternatywne rozwiązania funkcjonalne.
Projektowanie z uwzględnieniem pełnego cyklu życia:
1.Dobór materiału. 2.Technologiczność. 3.Trwałość.
4.Przystosowanie do recyklingu. 5.Zapotrzebowanie na energie. 6.Powiąznie ze środowiskiem. 7.Badania i próby dla zapewnienia jakości. 8.Transport technologiczny. 9. Konfekcjonowanie i pakowanie. 10.Magazynowanie i spedycja. 11.Wartość złomu.
Inne ważne czynniki w procesie projektowania: 1.Przegląd stanu zagadnienia. 2. Zgodność z normami. 3. Czynniki ludzkie. 4.Estetyka. 5.Koszt.
Klasyfikacja głównych czynników decydujących o doborze procesów wytwarzania produktów.
Bardzo ważnym etapem procesu projektowania inżynierskiego jest dobór procesów wytwarzania produktów ściśle związanych z doborem materiałów na jego elementy. Podstawowym kryterium tych doborów jest maksymalizacja jakości, przy równoczesnej minimalizacji kosztów elementów produktów. Procesy wytwarzania można pogrupować na 9 klas. Pierwotne:
-odlewanie grawitacyjne i ciśnieniowe,
-formowanie polimerów i szkła,
-obróbka plastyczna ,
-metalurgia proszków,
-metody specjalne,
Wtórne:
-obróbka ubytkowa np. toczenie
-obróbka cieplna np. hartowanie
-łączenie np. śrubowe,
-obróbka wykończająca np. czyszczenie
Projektowanie inż. uwzględnia następujące podst. czynniki:
-czynniki materiałowe, -kształtu, -technologiczne.
Główne czynniki decydujące o doborze materiałów do różnych zastosowań.
1.Własności fizyczne: -struktura krystaliczna, -gęstość, -temp topnienia, -prężność pary, lepkość, porowatość.
2.Własności elektryczne: -przewodność, -stała dielektryczne, -natężenie koercji, -histereza.
3.Własności jądrowe: -okres półrozpadu, -przekrój poprzeczny, -stabilność.
4.Własności cieplne: -przewodnictwo, -emisyjność, -absorpcyjność, -ogniotrwałość.
5.Własności mechaniczne: -twardość, -moduł sprężystości, -współczynnik Poissona, -wytrzymałość, -wykruszanie się.
6.Własności chemiczne: -utlenianie, -korozja, -stabilność cieplna, stabilność biologiczna, -kruchość wodorowa.
7.Własności technologiczne: -lejność, -hartowność, -odkształcalność, -skrawalność, -spawalność,