MATERIAŁOZNAWSTWO - cz.I

1. Charakterystyka podstawowych grup materiałów

l. l .Wprowadzenie'

1.2.Podstawowe grupy materiałów i ich rozwój

l .3.Przykłady zastosowania materiałów

2. Budowa materiałów

2.1. Materia i jej składniki

2.2. Budowa atomu

2.3. Klasyfikacja pierwiastków

2.4. Wiązania pomiędzy atomami

2.5. Ułożenie atomów w ciałach stałych

2.5.1. Podstawowe elementy krystalografii

2.5.2. Podstawowe struktury krystalograficzne

3. Rzeczywista struktura materiałów

^

3.1. Wady budowy krystalicznej i ich wpływ na właściwości

3.2. Defekty punktowe, liniowe, powierzchniowe i złożone

3.3. Oddziaływanie pomiędzy defektami budowy krystalicznej

3.4. Poi ikry staliczna struktura metali

4. Fazy występujące w materiałach

4.1. Stopy metali

4.2. Roztwory stałe

4.3. Fazy międzymetaliczne

4.4. Mieszaniny faz

4.5. Mechanizmy umacniania

5. Układy równowagi faz

5.1. Pojęcia podstawowe

5.2. Wykresy równowagi fazowej i sposoby ich wyznaczania

5.3. Podstawowe dwuskładnikowe układy równowagi faz

5.4. Wieloskładnikowe układy równowagi faz

5.5. Układ równowagi Fe-Fe3C(C)

5.6. Wybrane przykłady wykorzystania układów równowagi faz

6. Przemiany fazowe

6.1. Siła napędowa przemian fazowych

6.2. Klasyfikacja przemian fazowych

6.3. Mechanizmy i warunki krystalizacji

6.4. Charakterystyka przemian strukturalnych

6.4.1. Przemiany dyfuzyjne

6.4.2. Przemiany bezdyfuzyjne

6.4.3. Przemiany mieszane

6.5. Przykłady przemian fazowych

7. Obróbka plastyczna materiałów

7.1. Mechanizmy odkształcenia plastycznego

7.2. Odkształcenie plastyczne na zimno

7.3. Wyżarzanie materiałów odkształconych na zimno

7.4. Odkształcenie plastyczne na gorąco

7.5. Technologia obróbki plastycznej

8. Obróbka cieplna stopów żelaza

8.1. Terminologia pojęć

8.2. Klasyfikacja obróbki cieplnej

8.3. Przemiany w stopach żelaza podczas chłodzenia. Wykresy CTP

8.4. Przykłady obróbki cieplnej umacniającej i stabilizującej właściwości

8.4.1. Wyżarzanie

8.4.2. Hartowanie

13. Korozja i utlenianie metali i stopów. Ochrona przed korozją

13.1. Korozj a i j ej skutki

13.2. Korozja chemiczna

13.3. Korozja elektrochemiczna

13.4. Utlenianie materiałów

13.5. Ochrona przed korozj ą

14. Podstawowe grupy materiałów inżynierskich i ich właściwości

14.1. Przegląd głównych grup materiałów inżynierskich

14.2. Podstawy doboru materiałów - ich właściwości

14.3. Cena i dostępność

Literatura podstawowa:

[1] M. Hetmańczyk: Podstawy nauki o materiałach, Wyd. Poi. Śl. Gliwice,

1996 [2] L.A. Dobrzański: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach,

WNT W-wa, wyd.3 , 1996

[3] M. Blicharski: Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT W-wa, 1998 [4] H. Woźnica: Podstawy materiałoznawstwa, Wyd. Poi. Śl. Gliwice, 1998

8.4.3. Odpuszczanie

8.4.4. Utwardzanie wydzieleniowe

9. Właściwości mechaniczne materiałów

9.1. Stan naprężenia

9.2. Wytrzymałość mechaniczna materiałów

9.3. Podstawowe metody oceny właściwości mechanicznych

9.4. Rola budowy krystalicznej w uplastycznianiu materiałów

9.5. Nadplasryczność materiałów

10. Właściwości fizyczne materiałów

10.1. Przewodnictwo cieplne

10.2. Rozszerzalność cieplna

10.3. Przewodnictwo elektryczne - przewodniki, półprzewodniki i izolatory

10.4. Właściwości magnetyczne

11. Zmęczenie i nagłe pękanie

11.1. Istota zmęczenia - pojęcia ogólne

11.2. Próby zmęczeniowe

11.3. Nagłe pękanie

11.4. Wybrane przykłady zniszczenia w wyniku nagłego pękania i zmęczenia materiałów

11.5. Wybrane zagadnienia badania materiałów metodami mechaniki pękania

12. Pełzanie metali i stopów. Zużycie trybologiczne

12.1. Pełzanie i pękanie w wyniku pełzania

12.2. Mechanizmy i istota pełzania

12.3. Wyczerpanie i zużycie w wyniku pełzania

12.4. Zużycie spowodowane tarciem

12.5. Inne mechanizmy zużycia trybologicznego

1. Charaktery s tyka podstawowych grup materiałów

1.1. Wprowadzenie

Przez całe wieki człowiek wykorzystywał, a z czasem przetwarzał materiały dla zdobycia pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia odpowiedniego poziomu życia.

O rozwoju cywilizacji ludzkiej w dużej mierze decydował rozwój i odkrycia nowych materiałów i umiejętność ich przetwarzania. Świadczy o tym między innymi nazwanie różnych okresów w dziejach ludzkości od materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, np. epoka kamienia, brązu, żelaza

Jednym z wielkich osiągnięć w rozwoju ludzkości było odkrycie możliwości zmian właściwości materiałów.

Szukano odpowiedzi na pytanie:

„co decyduje o właściwościach materiałów?".

Poznanie zależności pomiędzy strukturą i właściwościami materiałów oraz możliwość oddziaływania na strukturą poprzez dobór składu chemicznego i parametrów procesów technologicznych pozwoliły dostosować materiały' do potrzeb człowieka.

1.2.Podstawowe grupy materiałów i ich rozwój

Materiałami nazywane są ciała stałe o właściwościach użytecznych dla człowieka, gdyż wykonuje się z nich produkty pracy - przedmioty użytkowe , narzędzia, konstrukcje i budowle, maszyny, broń, dzieła sztuki, komputery itp. Najogólniej wśród materiałów wyróżnia się:

a) materiały naturalne, wymagające nadania kształtu dla zastosowań technicznych, np. drewno, kamień, diament;

2. materiały inżynierskie, nie występują w naturze lecz poprzez zastosowanie procesów przetwarzania są przystosowane dla potrzeb technicznych.

Do podstawowych grup materiałów inżynierskich zalicza się:

• metale i ich stopy, np. żelazo, żeliwo, stal ,aluminium i jego stopy miedź i jej stopy tytan i jego stopy

• polimery, np. polietylen (PE) polichlorek winylu (>PCV) żywice elastomery

• materiały ceramiczne, np. ceramika inżynierska, szkła, ceramika porowata, ceramika szklana

• kompozyty, np. polimery zbrojone włóknem szklanym, polimery zbrojone włóknem węglowym, laminaty, beton zbrojony

Właściwości materiałów - to zespół cech określających rekcję tworzywa na zewnętrzne oddziaływanie (np. temperaturę, ciśnienie, naprężenie itp.). W technice często wyodrębnia się właściwości fizyczne i chemiczne materiałów.

Do właściwości fizycznych zalicza, się: przewodność cieplną, przewodność elektryczną, podatność magnetyczną lecz także właściwości mechaniczne takie jak wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, twardość itp.

Właściwości chemiczne określają zdolność materiałów do wchodzenia w reakcje chemiczne z otoczeniem. Typowym przykładem jest odporność korozyjna.

Wybrane właściwości materiałów

Struktura materiałów - jest to zbiór związków i zależności stanowiących wewnętrzną budowę materiałów składających się z funkcjonalnie związanych ze sobą elementów.

Struktura nadaje elementom materiałów charakter całości i podporządkowuje je wspólnym prawom, z których wynika, że właściwości materiałów są inne niż właściwości elementów składowych, a zmiany ich właściwości prowadzą do zmiany właściwości materiałów.

Struktura ma wpływ na stan materiałów, ich zachowanie się pod wpływem oddziaływań zewnętrznych i pozwala przewidzieć reakcję materiałów na działanie tych czynników.

W materiałach inżynierskich stosowanych w technice:

• właściwości zależą od struktury;

• te same prawa fizyczne wykorzystywane są do zmiany struktury;

• występuje podobieństwo procesów technologicznych;

• stosowana jest podobna aparatura badawcza i kontrolna.

Podstawowe grupy materiałów

METALE I ICH STOPY

Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami w procesach metalurgicznych polegających zwykle na redukcji, prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz rafinacji, usuwającej z metalu zanieczyszczenia.

Układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy metali.

Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami odlewniczymi, przeróbki plastycznej, metalurgii proszków lub obróbki skrawaniem.

Metale i ich stopy są. to materiały, które w stanie stałym charakteryzują się następującymi właściwościami:

• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,

• dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności (opór elektryczny zwiększa się z podwyższaniem temperatury),

• połysk metaliczny, zdolność odbijania promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni,

• plastyczność, zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem naprężeń.

Właściwości metali i stopów wynikają z wiązania metalicznego występującego pomiędzy atomami i budowy krystalicznej.

Właściwości metali i stopów są kształtowane metodami obróbki cieplnej, a powierzchnia elementów metalowych często jest uszlachetniana metodami inżynierii powierzchni.

Ze względu na właściwości i występowanie w przyrodzie zasadnicze znaczenie mają stopy żelaza (stale, staliwa, żeliwa) stanowiące 80% wszystkich wytwarzanych materiałów metalowych.

Liczną grupę stosowanych materiałów metalowych stanowią również metale nieżelazne i ich stopy. Miedź i aluminium są podstawowym surowcem do wytwarzania przewodów elektroenergetycznych.

Złoto i platyna są bardzo ważnym materiałem dla elektroniki. Platyna stosowana jest jako katalizator w wielu reakcjach chemicznych. Uran i pluton stanowią paliwo dla reaktorów jądrowych.

Uwzględniając gęstość i temperaturę topnienia, można dokonać podziału metali:

Rys. 2.4. Podział metali w zależności od ich gęstości i temperatury topnienia

Obecnie wytwarza się kilkaset tysięcy stopów metali o coraz doskonalszych właściwościach. Rozwój stopów o podwyższonych i wysokich właściwościach mechanicznych doprowadził do zmniejszenia ciężaru konstrukcji, pojazdów, maszyn i urządzeń. Powstały stopy o nowych, niespotykanych dotychczas właściwościach, np. półprzewodniki, szkła metaliczne, stopy z pamięcią kształtu.

Metalem o najwyższej temperaturze topnienia jest wolfram (3400°C), osm charakteryzuje się największą gęstością (22,5 G/cm3), najlżejszym metalem jest lit (0,534 G/cm3), największe przewodnictwo cieplne i elektryczne wykazują srebro (425 W/mK, 1,63 Ώcm) i miedź (397 W/mK, 1,694 Ώcm).

POLIMERY

Polimery, nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami stanowią grupą materiałów organicznych, złożoną ze związków węgla, wodoru i innych pierwiastków niemetalicznych.

Polimery wielkocząsteczkowe powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi wielu identycznych ugrupowań atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów.

Prosty monomer jest cząsteczką etylenu C2H4. Połączony w łańcuch polimeryczny tworzy m.in. polietylen zgodnie ze schematem:

W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napelniaczy, zmiękczaczy (plastyfikatorów), antyutleniaczy i innych. W temperaturze pokojowej polimery są bezpostaciowe lub krystaliczne.

Łączenie monomerów w makrocząsteczki następuje podczas polireakcji:

• polimeryzacji pomiędzy monomerami tego samego typu, o wiązaniu nienasyconym podwójnym, np. w polietylenie;

• kopolimeryzacji między dwoma lub więcej monomerami, np. w syntetycznych kauczukach (elastomery);

• polikondensacji, czyli gdy w monomerze nie występuje wiązanie nienasycone, a w wyniku reakcji powstaje produkt uboczny (np. woda). Przykładem polikondensacji jest reakcja powstawania bakelitu z fenolu;

• poliaddycji, czyli reakcji pomiędzy monomerami, w których występuje wiązanie nienasycone, podwójne. Proces przebiega stopniowo, często powiązany z przegrupowaniem atomów monomeru, umożliwiającym wzrost łańcucha polimeru. Przy tej reakcji nie wydziela się produkt uboczny. Typowymi przykładami są procesy otrzymywania poliuretanów, żywic epoksydowych itp.

Właściwości polimerów można kształtować również w procesach modyfikacji i wulkanizacji.

Właściwości polimerów są zależne od wielkości makrocząstek, tzn. od liczby jednostek monomerycznych zawartych w każdej makrocząstce. Liczba ta nazywana jest stopniem polimeryzacji, równa się masie cząsteczkowej polimeru podzielonej przez masę monomeru.

Dla technicznych polimerów stopień polimeryzacji wynosi 10³-10⁵ monomerów na jedną makrocząsteczką.

Polimery charakteryzują się:

• małą gęstością;

• dobrą plastycznością i odpornością na obciążenia dynamiczne;

• są izolatorami cieplnymi i elektrycznymi o rezystywności 10¹³- 10 ¹⁷ Ώm;

• łatwością nadawania skomplikowanych kształtów;

• dobrą odpornością korozyjną;

• niską temperaturą topnienia;

• słabo odbijają światło i zwykle są przezroczyste.

Polimery mają istotne zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, m.in. w lakierniczym, gumowym, tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych i w papierniczym.

Są bardzo dobrym materiałem konstrukcyjnym, który można łatwo przetwarzać przez formowanie wtryskowe, kształtowanie próżniowe, rozdmuchiwanie lub prasowanie w formach.

Głównymi sposobami łączenia polimerów są: klejenie, zgrzewanie oraz stosowanie różnych złączek, które często wykonuje się z polimerów. Opracowano już polimery o stabilnych właściwościach do temperatury 500 C.

Liczba rodzajów polimerów podobnie jak metali i materiałów ceramicznych, jest bardzo duża i zwiększa się każdego roku.

MATERIAŁY CERAMICZNE

Materiały ceramiczne są to nieorganiczne związki metali z tlenem, azotem, węglem+6 i innymi pierwiastkami, w których atomy połączone są wiązaniem jonowym i kowalencyjnym, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych najczęściej z wypalaniem.

Do materiałów ceramicznych zalicza się. również szkła oraz beton i cement, pomimo że przy ich wytwarzaniu nie zachodzą wszystkie z wymienionych procesów.

Materiały ceramiczne charakteryzuj ą się następującymi właściwościami:

• małym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym;

• małą plastycznością;

• niską odpornością na obciążenia dynamiczne;

• dużą wytrzymałością;

• dobrą odpornością korozyjną.

Ceramika inżynierska jest zróżnicowaną grupą materiałów. Należą do niej materiały dla elektroniki, materiały narzędziowe i odporne na ścieranie, materiały ogniotrwałe wysokiej jakości, ceramika stosowana w energetyce jądrowej, w silnikach cieplnych, cermetale, sialony.

Ceramika porowata określana również jako tradycyjna, klasyczna lub wielkotonażowa obejmuje przede wszystkim materiały budowlane (cement, gips, cegły, płyty), ceramikę sanitarną (kamionkę, porcelanę, dachówkę), ogniotrwałą itp. Surowcami do wyrobu ceramiki porowatej są: glina, krzemionka i skaleń.

Szkła są to materiały nieorganiczne, głównie tlenki, których stan fizyczny jest stanem pośrednim pomiędzy stanem stałym a ciekłym.

Mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną.

Stan szklisty jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia.

Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są tlenki: SiO2, B2O3 i PiOs, tlenki arsenu i germanu, a także siarka, selen i fluorek ołowiu.

W skład szkła, oprócz składników wymienionych, mogą wchodzić tlenki zasadowe metali alkalicznych (Na2O, K2O) i ziem alkalicznych (MgO, CaO) zwane modyfikatorami wiązań sieci przestrzennej.

Trzecią grupę składników szkła stanowią tzw. tlenki pośrednie (aluminium, berylu), które przyłączają się do istniejącej sieci.

Szkło jest przezroczyste, a współczynnik załamania światła można zmieniać przez dodatki tlenków, np. ołowiu - tzw. szkło flintowe o dużym współczynniku załamania światła stosowane na soczewki achromatyczne.

Można zmieniać zabarwienie przez dodatki tlenków metali przejściowych.

Szkło jest zaliczane do izolatorów elektrycznych. Przewodność cieplna szkła jest bardzo mała. Szkło można hartować termicznie lub chemicznie.

Ceramika szklana zwana też dewitryfikatami lub pyroceramiką powstaje przez kontrolowaną krystalizację szkła, umożliwiającą utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością ok. 2% fazy szklistej.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Materiały kompozytowe są połączeniem dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczalnych w sobie materiałów, których wspólne właściwości i cechy strukturalne są wyższe niż w każdym z tych materiałów oddzielnie

Fazy powodujące wzmocnienie kompozytów noszą nazwę zbrojenia. Mogą być wprowadzane do kompozytu w postaci:

• włókien ciągłych;

• włókien krótkich;

• drobnych cząstek.

Fazy, w których osadzone są wzmocnienia noszą nazwę osnowy. Może to być osnowa z polimeru utwardzalnego (epoksydy, poliestry), polimeru termoplastycznego, metalu (aluminium, stopy aluminium-lit, magnez, tytan) czy ceramiki ( węglik krzemu, tlenek aluminium). Sposób rozłożenia wzmocnienia w osnowie decyduje o anizotropii lub izotropii właściwości kompozytu. Stosowane są kompozyty warstwowe, laminaty, wiązkowe czy wzmacniane matami.

Materiały kompozytowe znajdują zastosowanie między innymi w sprzęcie kosmicznym, samolotach, szybowcach, samochodach, statkach, jachtach, sprzęcie sportowym itd.

Niejako oddzielną grupę materiałów kompozytowych stanowią pianki. Szczególnie rozwinęła się produkcja pianek z materiałów polimerowych. Z polimerów porowatych robi się poduszki, wykładziny, opakowania i izolacje.

Kierunki rozwoju i przykłady zastosowania materiałów

Przedstawiono krótką charakterystykę podstawowych grupy materiałów stosowanych przez współczesnego człowieka.

Dokonuje się burzliwy rozwój poprzez nowe wyzwania stawiane nauce o materiałach. Współczesna informatyka została oparta o materiały półprzewodnikowe, kryształy lasera, światłowody, nadprzewodniki. Coraz częściej elementy wykonane dotychczas z metalu zastępuje się elementami z materiałów niemetalowych. Na przykład w jachcie stal, drewno czy bawełnę zastąpiono polimerami i kompozytami. Typowy jacht ma kadłub wykonany z polimeru wzmocnionego szklanym. Materiał ten łatwo jest wytwarzać, kształtować, ładnie wygląda, nie koroduje jak stal i nie jest toczony przez robactwo. Maszt ze stopu aluminium, przy tej samej wytrzymałości jak drewniany, jest o wiele lżejszy; bardziej obciążone jednostki wyposaża się w maszty zrobione ze stopu aluminium wzmocnionego włóknami np. boru (kompozyt). Tradycyjną bawełnę na olinowanie i żagle zastąpiono polimerowym terylem (a spinakery - nylonem). Do produkcji wielu inny elementów, jak listwy i worki odbojowe, kurtki nieprzemakalne, kapoki czy pokrowce, szeroko stosuje się PVC (według M. F. Ashby'ego).

Do wykonania elementów silnika nowoczesnego samolotu odrzutowego stosowane są materiały eksploatowane przy bardzo dużym poziomie niezawodności i ekstremalnie wysokich właściwościach fizyko-chemicznych i mechanicznych.

Na rys. przedstawiono szacunek wielkości zasobów surowcowych w założonym czasie.

Współcześnie, wytwarzanie jest kompleksowym działaniem, łączącym ludzi, którzy wykonują różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narządzi, w różnym stopniu zautomatyzowanym i skomputeryzowanym.

Coraz powszechniej stosowany jest nowy podział materiałów na: konstrukcyjne i funkcjonalne.

Materiały konstrukcyjne wykorzystywane są do budowy urządzeń zwielokrotniających siłą ludzkich mięśni.

Materiały funkcjonalne stosowane są w budowie narzędzi zwielokrotniających działanie ludzkiego umysłu.

1.3.Cena i dostępność

W omawianych do tej pory przykładach zastosowania materiałów uwzględniano właściwości mechaniczne i fizyczne, nie wspomniano o dwóch ważnych, a często pomijanych właściwościach: cenie i dostępności wybieranych przez nas materiałów.

Zdecydowana większość materiałów inżynierskich pochodzi z surowców pozyskiwanych ze skorupy ziemskiej: wydobywane są w kopalniach jako rudy, następnie wzbogacane do poziomu umożliwiającego ich ekstrakcję lub syntezę. Dostępność zasobów surowcowych zależna jest od ich wielkości, lokalizacji oraz energii potrzebnej do ich pozyskania i przetworzenia.

Próg opłacalności ekonomicznej stosowania każdego z surowców wyznaczany jest przez czas połowicznego wyczerpania jego zasobów.

Takie materiały jak żelazo, aluminium, pierwiastki, z których wytwarza się: szkło lub cement są wciąż szeroko dostępne. Nie można tego powiedzieć o zasobach ropy naftowej, której zasoby światowe są na wyczerpaniu. Podobnie można powiedzieć o rtęci, srebrze czy wolframie, których rudy są ubogie, dokładnie zlokalizowane, i których zapasy wkrótce się wyczerpią.

Konieczne staje się dokonanie istotnych zmian w obiegu materiałów, tak aby jak największa część odpadów ulegała remineralizacji lub była powtórnie przetwarzana (recycling).

Materia i jej składniki

Materia składa się z cząstek elementarnych.

Według współczesnej wiedzy materia zbudowana jest z 6 kwarków, 6 leptonów i prawdopodobnie z tzw. bozonu Higgsa.

Są one cząstkami elementarnymi niepodzielnymi, wchodzącymi w skład innych cząstek materii.

W tablicy zestawiono cząstki niepodzielne wg. tzw. modelu standardowego.

Kwarki to cząstki elementarne, które nie są trwałe samodzielnie, lecz wchodzą w skład innych cząstek po dwa lub trzy.

Cząstki zbudowane z dwóch kwarków, tzw. mezony, są niestabilne. Cząstki składające się z trzech kwarków są nazywane barionami.

W otaczającej nas materii znaczenie mają dwa kwarki: górny (u — up) o ładunku +2/3 i dolny (d - down) o ładunku -1/3 oraz spin taki sam jak spin wszystkich cząstek z których zbudowana jest materia.

Leptony (elektron, mion i tauon) to cząstki elementarne, na które nie wpływają oddziaływania silne. Powszechnie występującym leptonem w otaczającej nas materii jest elektron o ładunku -1.

Tak więc do najważniejszych cząstek elementarnych należą:

• elektrony;

• protony;

• neutrony.

2.1. Budowa atomu

Większymi cząstkami materii są atomy, które składają się z pewnej liczby elektronów rozmieszczonych wokół jądra atomowego.

W skład jądra wchodzą nukleony, które w zależności od ładunku elektrycznego lub jego braku są protonami lub neutronami.

Pierwiastek chemiczny jest zbiorem atomów o jednakowych ładunkach jąder. W przyrodzie występują pierwiastki chemiczne o liczbie atomowej od l (H -wodór) do 94 (Pu - pluton).

Istnieje szereg pierwiastków powstałych w sposób sztuczny w reaktorach jądrowych o większej liczbie atomowej - do 109.

Atom charakteryzowany jest przez podanie:

• liczby atomowej Z - równej liczbie protonów w jądrze;

• liczby masowej A - równej masie nukleonów w jądrze;

• stanu energetycznego elektronów

Odmiany pierwiastków chemicznych o jednakowej liczbie atomowej Z, lecz różniące się liczbą masową A, są nazywane izotopami.

Atomy, których jądra różnią się liczbą protonów i neutronów, nazywane są nuklidami. Nuklidy tego samego pierwiastka są zatem izotopami.

Stan energetyczny elektronu w atomie charakteryzuj ą cztery liczby kwantowe oznaczone n, m, m_i, m_s

Główna liczba kwantowa n - określa liczbę powierzchni węzłowych kulistych, ze środkiem w jądrze, lub płaszczyzn przechodzących przez jądro, na których gęstość chmury elektronów jest równa zero. Główna liczba kwantowa określa zatem tzw. powłoki elektronowe poszczególnych stanów energetycznych, oznaczone kolejno liczbami od l do 7 lub dużymi literami K, L, M, N, O, P i Q.

Poboczna liczba kwantowa l - określa podpowłoki elektronowe, oznaczone odpowiednio s, p, d, f, g, h gdy l = O, l, 2, 3, ...do (n - 1). Określa ona liczbę płaszczyzn węzłowych przechodzących przez jądro atomu i charakteryzuje moment pędu elektronu.

Magnetyczna liczba kwantowa mi jest miarą orientacji momentu pędu elektronu i określa składową tego momentu w kierunku przyłożonego pola magnetycznego. Może przyjmować wartości od -l do +1.

Spinowa liczba kwantowa m_s ujmuje wpływ pola magnetycznego wytwarzanego przez elektron wirujący wokół swojej osi. Może przyjmować tylko dwie wartości -1/2 lub +1/2, ponieważ spin elektronu może być równoległy lub antyrównoległy do kierunku zewnętrznego pola magnetycznego.

Zakaz Pauliego

W jednym atomie nie może być dwóch elektronów o identycznej kombinacji liczb kwantowych.

Maksymalna liczba stanów energetycznych w danej powłoce elektronowej wynosi 2n².

W podpowłoce l liczba stanów energetycznych jest równa 2(2l + 1).

Każdej podpowłoce l odpowiada 21 + 1 wartości mi, a każdej liczbie mi dwie wartości m_s = ± ½

Elektron ma najniższą energią na powłoce K, odpowiadającej głównej liczbie kwantowej n = l.

Przejście elektronu na powłokę o większej wartości liczby kwantowej wymaga dostarczenia kwantu energii:

gdzie: E_M - energia elektronu na powłoce M, EK - energia elektronu na powłoce K, h - stała Plancka, v - częstotliwość, A, - długość fali, c - prędkość ruchu elektronu, odpowiadająca prędkości światła.

Dla wyższych wartości liczby kwantowej n różnice energii elektronu na sąsiednich poziomach szybko maleją.

Układ ten został podzielony na siedem poziomych okresów. W każdym okresie są zgrupowane pierwiastki o stanie energetycznym elektronów w atomach swobodnych opisanych główną liczbą kwantową.

Kolumny pionowe układu, których jest szesnaście, nazwano grupami. Pierwiastki należące do tej samej grupy charakteryzują się podobną strukturą podpowłok elektronowych na ostatniej powłoce, co decyduje o zbliżonych własnościach tych pierwiastków.

GAZY SZLACHETNE - pierwiastki zestawione w prawej kolumnie układu zakwalifikowane do grupy O (VIII A) to gazy szlachetne. Mają trwałe konfiguracje elektronowe, charakteryzujące się całkowitym wypełnieniem wszystkich powłok elektronowych. Liczba elektronów na ostatniej powłoce, tzw. elektronów walencyjnych, wynosi 8. Gazy szlachetne są chemicznie obojętne.

METALE ALKALICZNE I ZIEM ALKALICZNYCH - pierwiastki zestawione w grupie I A noszą nazwę metali alkalicznych, a w grupie II A -metali ziem alkalicznych. Zawierają l lub 2 elektrony walencyjne, które są łatwo oddawane przy łączeniu z innymi pierwiastkami. W związku z tym pierwiastki te są nazywane elektrododatnimi. Podobnie zachowują się metale przejściowe oraz metale ziem rzadkich.

METALE PRZEJŚCIOWE - w przypadku metali przejściowych, zestawionych w grupach III B do VIII B oraz I B i II B okresów 4 do 6, dwie pierwsze powłoki są częściowo zapełniane elektronami dopóty, dopóki nie nastąpi ich całkowite zabudowanie. W trzeciej i następnych powłokach przed zapełnieniem podpowłok d następuje obsadzenie podpowłok s wyższej powłoki.

METALE ZIEM RZADKICH - zwane lantanowcami zestawione w 6 okresie. Podpowłoka 4f jest zapełniana po wypełnieniu podpowłoki 6s i po wejściu jednego elektronu do podpowłoki 5d.

AKTYNOWCE - zestawione w 7 okresie. Podpowłoka 5f jest zapełniana po zapełnieniu podpowłoki 7s i po wejściu jednego elektronu do podpowłoki 6d.

PIERWIASTKI AMFOTERYCZNE - pierwiastki grup III A, IV A i V A są

amfoterami, a ich atomy w reakcjach z innymi atomami mogą zarówno oddawać własne elektrony walencyjne, jak i przyjmować elektrony należące do innych atomów.

NIEMETALE - pierwiastki grup VI A i VII A, zwane niemetalami lub

metaloidami, należą do typowych pierwiastków elektroujemnych, gdyż atomy tych pierwiastków łatwo przyjmują elektrony walencyjne.

2.3. Wiązania pomiędzy atomami

Pomiędzy atomami tworzącymi kryształ można wyróżnić cztery podstawowe rodzaje wiązań:

• jonowe,

• kowalencyjne,

• metaliczne,

• wiązania wtórne (Van der Waalsa, siłami Londona, wodorowe).

Tablica 2.8

Energia wiązań między atomami w różnych substancjach

		Energia	wiązania
Rodzaj wiązania	Substancja	kJ/mol	eWatom, jon, cząsteczkę.
	NaCl	640	3,3
Jonowe	MgO	1000	5,2
	Si	450	4,7
Kowalencyjne	C (diament)	713	7,4
	Hg	68	0/7
	AI	324	3,4
Metaliczne	Fe	406	4,2
	W	849	8,8
Yander	Ar	7,7	0,08
Waalsa	C12	31	0,32
	NH3	35	0,36
Wodorowe	H20	51	0,52

WIĄZANIE JONOWE

Gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny, powstaje wiązanie jonowe.

Wiązania jonowe są tworzone przez atomy, w których występuje odpowiednio brak i nadmiar jednego lub dwóch elektronów walencyjnych.

Przykładem wiązania jonowego jest wiązanie w cząsteczce chlorku sodu:

Wiązanie jonowe powoduje dużą oporność elektryczną i cieplną oraz kruchość uzyskiwanych substancji, które są przezroczyste, często o różnym zabarwieniu.

WIĄZANIE KOWALENCYJNE, ATOMOWE

Występuje pomiędzy atomami, które mają przynajmniej jeden zapełniony w połowie poziom elektronowy. Po nałożeniu się zewnętrznych orbitali elektrony walencyjne stają się wspólne dla dwóch atomów.

Wiązania utworzone przez takie uwspólnione elektrony są nazywane atomowymi czyli kowalencyjnymi. Często tworzą je gazy.

Przykładem kryształu o wiązaniu kowalencyjnym jest diament. Każdy atom węgla (ls² 2s² p²) ma cztery elektrony walencyjne, a więc może utworzyć pary wspólnych elektronów z sąsiednimi atoniami.

Kryształy o wiązaniu kowalencyjnym są twarde, kruche i mają bardzo wysoką temperaturę topnienia. W niskiej temperaturze nie przewodzą prądu elektrycznego, natomiast w wysokiej temperaturze wykazują częściowe przewodnictwo elektryczne.

WIĄZANIE METALICZNE

Występuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu na wystarczająco małą odległość, charakterystyczną dla stałego stanu skupienia, oddaj ą swój e elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów.

Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi (jonami dodatnimi), tworząc tzw. gaz elektronowy, charakterystyczny dla tego wiązania.

Metale są plastyczne, dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny, są nieprzezroczyste, gdyż elektrony przewodnictwa absorbują promieniowanie z obszaru widzialnego.

WIĄZANIE Van der Waalsa

Występuje pomiędzy atomami, w których chwilowo na zewnętrznej powłoce jest nierównomierny rozkład elektronów. W wyniku ich skupienia po jednej stronie orbity atom staje się chwilowo dipolem.

Siła wiązania Van der Waalsa jest tym większa, im łatwiej rozmieszczenie elektronów wokół jądra staje się niesymetryczne.

Siły te powodują skraplanie gazów szlachetnych oraz łączą w stan stały cząsteczki, np. H2, F2, C12, N2 powstałe w wyniku wiązania atomowego

2.4. Ułożenie atomów w ciałach stałych

2.4.1.Podstawowe elementy krystalografii

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 .periodu identyczności lub parametrem sieci.

Przesunięcie, tzw. translacja prostej sieciowej, o period identyczności w -kierunku różnym od Meruriku prostej powoduje znalezienie płaszczyzny sieciowej.

Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w kierunku do niej nierównoległym tworzy sieć przestrzenną.

Elementami sieci przestrzennej są:

- płaszczyzny sieciowe,

- proste sieciowe,

- węzły sieci

Elementarna komórka sieciowa może być opisana przez podanie jej periodów identyczności (parametry sieci) a, b i c oraz kąty między nimi zawarie a, [3, y.

Symetria kryształu

Kryształy są to ciała stałe, w których atomy lub cząstki ułożone są wzglądem

siebie w sposób regularny, zachowując przestrzenną symetrią

Proste elementy symetrii jakie mogą występować w kryształach to:

- symetria wzglądem punktu,

- symetria wzglądem prostej,

- symetria wzglądem płaszczyzny

PODSTAWOWE STRUKTURY KRYSTALICZNE

• Większość kryształów występujących w przyrodzie ma komórkę złożoną. Przykładem są metale krystalizujące w jednym z 3 układów:

• regularnym ściennie centrowanym (RSC),

• regularnym przestrzennie centrowanym (RPC),

• heksagonalnym zwartym (HZ). Przy opisie komórki złożonej podaje się:

• liczbę atomów przypadającą na komórkę (N), wyznaczoną z zależności:

gdzie: Nw - liczba atomów w narożach komórki,

NK - liczba atomów na krawędziach komórki, NS - liczba atomów na ścianach komórki, NC - liczba atomów wewnątrz komórki

- gęstość wypełnienia sieci rdzeniami atomowymi charakteryzuje liczba koordynacyjna l_k, równa liczbie najbliższych i równo oddalonych rdzeni atomowych od dowolnie wybranego rdzenia atomowego w sieci krystalicznej,

• wsjpótczynnik wypełnienia komórki, wyrażony stosunkiem objętości •kryształu zajętej przez kuliste atomy do całkowitej objętości kryształu,

• płaszczyzny i kierunki najgęściej wypełnione atomami sieci. Rozróżnia się luki tetraedryczne oraz oktaedryczne

rys.3,15

Dwa atomy i na punkt sieci

RYS. 3.15. Struktura krystaliczna heksagonalna zwarta: a) komórka elementarna sieci punktowej, b) położenia środków atomów względem punktów sieciowych w komórce elementarnej

WSKAŹNIKOWANIE ELEMENTÓW SIECI

Wskaźnikowanie węzłów

RYS. 3:6. Wskaźnikowanie położeń sieciowych. Cyfry oznaczają liczbę poszczególnych parametrów sieciowych

Współrzędne położenia węzłów sieciowych oznaczane są przez UVW. Współrzędne ujemne zaznacza się przez umieszczenie nad nimi poziomych kresek, np. UVW .

Wskaźnikowanie kierunków sieciowych

W celu określenia kierunku prostej sieciowej, tj. prostej przechodzącej przez punkty sieciowe, należy poprowadzić prostą do niej równoległą i przechodzącą przez początek układu współrzędnych, a następnie podać współrzędne dowolnego punktu leżącego na tej prostej. Wskaźniki kierunków podajemy w nawiasach kwadratowych [uvw]

Wartości uvw są zawsze sprowadzane do zbioru najmniejszych liczb całkowitych. Np. zbiory wskaźników [1/2 l 2], [l 2 4] i [2 4 8] dotyczą tego samego kierunku [124].

Zbiór kierunków krystalograficznych takich samych, zapisywany <uvw>, jest

nazywany rodziną kierunków.

Rodzina kierunków <111> ujmuje zatem kierunki

Płaszczyzny sieciowe

Określenie wskaźników płaszczyzn sieciowych polega na:

• określeniu długości odcinków odciętych na osiach układu współrzędnych przez rozpatrywaną płaszczyznę,

• podanie odwrotności tych odcinków,

• zredukowanie odwrotności długości odcinków do najmniejszych liczb całkowitych

Wskaźniki płaszczyzn są zbiorem najmniejszych liczb całkowitych i są nazywane wskaźnikami Millera.

Wskaźniki Millera oznacza się przez (hkl).

Rodzinę płaszczyzn w postaci ogólnej zapisujemy jako {hkl}.

Dla układu heksagonalnego bardzo często jest stosowany system czterowskaźnikowy zapisu płaszczyzn w układzie (h k i 1) nazywany systemem Millera-Bravais'go.

h + k = -i

Niekiedy dla układu heksagonalnego jest również stosowany czterowskaźnikowy zapis kierunków [uvtw]. W tym przypadku trzeci wskaźnik jest ujemną sumą wskaźnika pierwszego i drugiego.

Ze wzglądu na geometrię wyróżnia się;

• defekty punktowe, np. wakans

• defekty liniowe, np. dyslokacja

• defekty powierzchniowe, np. granice ziarn

1. Defekty punktowe, liniowe, powierzchniowe i złożone

2. Do wad punktowych należą:

• wakanse, tj. wolne węzły w sieci krystalicznej,

• atomy międzywęzłowe, zajmujące miejsca w lukach sieci krystalicznej

Liczba wad punktowych jest funkcją temperatury, a procesy związane ze wzrostem tych defektów są nazywane procesami aktywowanymi cieplnie.

Wyróżnia się dwa mechanizmy tworzenia wad punktowych;

• defekt Schottky'ego,

• defekt Frenkla

Rozmieszczenie atomów wokół dyslokacji krawędziowej

Dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź dodatkowej półpłaszczyzny atomowej zwanej ekstrapłaszczyzną umieszczoną między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi.

W zależności od położenia tej półpłaszczyzny dyslokacje mogą być dodatnie,

oznaczone , lub ujemne - oznaczone .

DYSLOKACJA ŚRUBOWA

Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej.

Błąd ułożenia, tj. nieprawidłowy układ płaszczyzn sieciowych najgęściej obsadzonych atomami, powstaje w kryształach o sieci RSC na płaszczyznach {111}. Takie zaburzenie sekwencji ułożenia warstw atomów prowadzi do podwyższenia energii układu, tzw. energii błędu ułożenia (EBU), zależnej od rodzaju i struktury sieciowej metalu.

GRANICE ZIARN

Granice ziarn stanowi pasmo szerokości kilku średnic atomowych, w których rdzenie atomowe są rozmieszczone w sposób nieuporządkowany.

Gronica ziarn

RYS. 5.30. Ułożenie atomów i odległości między atomami nie są równowagowe w granicy ziarn. Atomy w granicy są ułożone luźniej niż we wnętrzu ziarn, gdyż siły odpychania wraz ze zmniejsze­niem odległości między atomami poniżej odległości równowagowej rosną szybciej niż siły przyciągania przy wzroście odległości między atomami ponad odległość równowagową

W zależności od wielkości kąta dezorientacji 0 granice ziarn dzieli się na:

• wąskokątowe,

• szerokokątowe.

Granice wąsko kątowe - powstają w miejscu zetknięcia podziarn, charakteryzują się niewielkim kątem dezorientacji krystalicznej - do 15°.-i maj ą budo we dyslokacyjną.

Najczęściej zbudowane z dyslokacji krawędziowych, tworzą granice wąskokątowe daszkowe.

Granice wąskokątowe skrętne powstają w miejscu połączenia kryształów o wspólnym kierunku sieciowym prostopadłym do granicy.

Granice szerokokątowe - charakteryzują się dużym kątem dezorientacji krystalicznej ziarn, na styku których powstają.

W stopach wielofazowych granica ziarna może rozdzielać obszary, które oprócz różnic orientacji krystalograficznej wykazują odmienny skład chemiczny oraz różne odległości międzypłaszczyznowe. Nazywane są granicami międzyfazowymi. Można je podzielić na:

• koherentne,

• półkoherentne,

• niekoherentne

Istotnym z punktu widzenia właściwości materiałów jest rozmiar ziarna.

Granice bliźniacze

Jeżeli struktura krystaliczna jednej części ziarna jest lustrzanym odbiciem w pewnej płaszczyźnie, zwanej płaszczyzną bliźniakowania, drugiej części, to takie części kryształu nazywamy bliźniakami.

Oddziaływanie pomiędzy defektami budowy krystalicznej

Dyslokacje przemieszczające się w płaszczyźnie poślizgu, stykając się wzajemnie na siebie oddziałują.

Dwie dyslokacje jednoimienne przemieszczające się w płaszczyźnie poślizgu odpychają się wzajemnie.

Dwie dyslokacje o przeciwnie skierowanych wektorach Burgersa przyciągają się.

Dyslokacje przemieszczające się w nierównoległych płaszczyznach poślizgu przecinają się wzajemnie, tworząc w każdej z płaszczyzn uskok. Wyróżnia się dwa rodzaje uskoków dyslokacyjnych:

• przegięcia,

• progi

Dyslokacja, której ruch powoduje, że atomy znajdują się w takich samych położeniach, jak przed jej przejściem, jest nazywana dyslokacją całkowitą lub doskonalą.

Dyslokacja, której przejście wywołuje położenie atomów różne od pozycji wyjściowych, nosi nazwę niedoskonałej lub odpowiednio częściowej albo kątowej.

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.

Rys. 3.37. Schemat struktury poli-krystalicznej metali

Polikryształy składają się z ziarn, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną. Przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziarn decyduje o niemal jednakowych własnościach w różnych kierunkach - własności izotropowe.

7. Obróbka plastyczna materiałów

Materiał poddany działaniu zewnętrznego, zwiększającego się obciążenia mechanicznego reaguje poprzez kolejne fazy jego zachowań:

• odkształcenie sprężyste;

• odkształcenie plastyczne;

• umocnienie;

• pękanie

O wydłużenie

Rys. 9.1. Zależność odkształcenia od obciążenia (zewnętrzne­go) dla różnych materiałów: I - zakres odkształcenia sprężystego, II - zakres odkształcenia plastycznego (początek skali wydłużeń O jest przesunięty dla różnych materiałów wzdłuż osi wydłużeń)

Jedną z najważniejszych właściwości materiałów jest ich zdolność do trwałego odkształcania się bez naruszenia spójności, zwana plastycznością.

Dzięki plastyczności możliwa jest obróbka plastyczna materiałów, polegająca m.in. na:

• walcowaniu;

• kuciu;

• prasowaniu;

• ciągnieniu;

• wyciskaniu.

Przejście materiału w stan plastyczny nazywa się uplastycznieniem. O uplastycznieniu decyduje rodzaj materiału, sposób oraz warunki obciążania.

Stosunkowo łatwo uplastycznić metal, szczególnie w podwyższonej temperaturze. Bardzo trudno przeprowadzić w stan plastyczny niektóre materiały ceramiczne.

7.1. Mechanizmy odkształcenia plastycznego

Najważniejszymi czynnikami, od których zależy sposób odkształcania materiałów, są:

• skład chemiczny;

• struktura;

• temperatura procesu.

Skład chemiczny materiału decyduje o wiązaniu pomiędzy atomami, ich rozmieszczeniu w przestrzeni, a więc o strukturze krystalicznej i jej defektach oraz o rodzaju i właściwościach faz.

Uwzględniając strukturę należy rozróżnić odkształcenie monokryształu od odkształcenia polikryształu. Mechanizm odkształcenia zależy również od rodzaju sieci krystalicznej oraz energii błędu ułożenia.

W zależności od temperatury procesu rozróżnia się odkształcenie na zimno oraz odkształcenie na gorąco.

7.2. Odkształcenie plastyczne na zimno

Odkształcenie monokryształów

Podstawowym mechanizmem odkształcenia monokryształów jest poślizg, polegający na przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej, bez zmiany objętości oraz orientacji krystalograficznej.

Na powierzchni kryształu tworzą się lokalnie równoległe linie i pasma poślizgu.

Poślizg polega czystym ścinaniu warstw kryształu wzdłuż określonych płaszczyzn i kierunków krystalograficznych zwanych systemami poślizgu

Po wyczerpaniu możliwości poślizgu odkształcenie monokryształów może następować w wyniku bliźniakowania, polegającego na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania.

Rys, 4.23. Schemat zbliźniaczonego kryształu o sie­ci regularnej ściennie centrowanej A l

Zbliźniaczona część kryształu stanowi lustrzane odbicie części nieodkształconej, obie struktury są osiowo symetryczne względem płaszczyzny bliźniakowania.

Tablica 4.3

Systemy bliźniakowania w metalach

Odkształcenie polikryształów

W polikryształach odkształcenie przebiega jednocześnie w wielu ziarnach wzajemnie oddziaływujących na siebie. Ponieważ nie każdy z tych systemów zorientowany jest korzystnie do kierunku działającego obciążenia, dla uruchomienia kolejnych poślizgów konieczne jest większe naprężenie .

W zakresie odkształcenia sprężystego zależność naprężenie-odkształcenie zgodna jest z prawem Hooke'a:

a - E - s

gdzie: E - moduł sprężystości podłużnej, zwany również modułem Younga

Granicą plastyczności jest nazywane naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach. W metalach często występuje górna i dolna granica plastyczności.

Górna granica plastyczności jest często wyjaśniana odrywaniem się dyslokacji od tzw. atmosfer Cottrella, tj. atmosfer atomów obcych, np. C lub N, usytuowanych w pobliżu jądra dyslokacji.

Dolna granica plastyczności jest bardzo ważnym parametrem właściwości konstrukcyjnych materiału. Zwiększa się wraz ze zmniejszeniem wielkości ziarn, zgodnie z równaniem Halla-Petcha:

7.3. Wyżarzanie materiałów odkształconych na zimno

Materiał odkształcony na zimno charakteryzuje się większym zdefektowaniem struktury nazywanym zgniotem. Część energii dostarczonej podczas odkształcania zostaje zmagazynowana, a stan materiału jest stanem metastabilnym. Ponowne przejście w stan równowagi umożliwiają aktywowane cieplnie procesy zdrowienia i rekrystalizacji zachodzące podczas wyżarzania.

Zdrowienie statyczne

Mechanizm zdrowienia statycznego - jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno. Podczas zdrowienia następuj e:

• dyfuzja i anihilacja defektów punktowych,

• poślizg i wspinanie dyslokacji,

• anihlacja dyslokacji różnoimiennych,

• kurczenie się i zanik pętli dyslokacyjnych,

• poligonizacja

Rys. 9.12. Schemat poligonizacji dyslokacji

Rekrystalizacja statyczna

Jest to proces aktywowany cieplnie, zachodzący podczas wyżarzania powyżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych na zimno i polega na powstawaniu i migracji szerokokątowych granic ziam.

Rekrystalizacja zachodzi przez:

• zarodkowanie,

• wzrost ziarn

Temperatura rekrystalizacji

T_R = a *Tt

gdzie:

Tt - temperatura topnienia w K

Temperatura rekrystalizacji zależy przede wszystkim od temperatury topnienia metali i stopów.

Dla metali o bardzo dużej czystości a=0.35-0.6

Praktycznie za temperaturę rekrystalizacji TR przyjmuje się temperaturę, w której dany materiał odkształcony plastycznie na zimno całkowicie ulega rekrystalizacji po wyżarzaniu trwającym l h.

Można ją wyznaczyć z krzywej zależności twardości materiału odkształconego plastycznie na zimno i wyżarzanego przez l h od temperatury wyżarzania.

Na przebieg wyżarzania rekrystalizującego wpływ mająnastejpujące czynniki:

=> rodzaj materiału określany przez skład chemiczny i strukturę;

=> parametry odkształcenia obejmujące: stopień gniotu, temperaturę i prędkość oraz sposób odkształcenia; => warunki obróbki cieplnej, tj.: temperatura wyżarzania , czas

wygrzewania i szybkość nagrzewania.

7.4. Odkształcenie plastyczne na gorąco

Podczas odkształcenia plastycznego w temperaturze wyższej od temperatury rekrystalizacji oprócz poślizgu i bliźniakowania aktywizują się nowe mechanizmy odkształcenia:

• pełzanie dyfuzyjne;

• pełzanie dyslokacyjne;

• poślizg po granicach ziarn.

W ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają procesy dynamiczne aktywowane cieplnie, usuwające częściowo skutki umocnienia zgniotowego, tj.:

• zdrowienie dynamiczne;

• rekrystalizacja dynamiczna.

Analizę procesów zachodzących podczas odkształcania na gorąco umożliwiają badania plastometryczne. Najczęściej stosowana jest próba skręcania na gorąco pozwalająca uzyskiwać duże wartości odkształcenia i duże prędkości odkształcania.

Rekrystalizacja metadynamiczna może występować jedynie wtedy, gdy podczas uprzedniego odkształcenia plastycznego na gorąco została zapoczątkowana rekrystalizacja dynamiczna i polega na wzroście zarodków rekrystalizacji dynamicznej.

8. Obróbka cieplna stopów żelaza

DEFINICJA OBRÓBKI CIEPLNEJ

Obróbka cieplna jest to proces technologiczny, którego celem jest zmiana właściwości mechanicznych i fizykochemicznych metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych, zawsze w wyniku działania temperatury i czasu, a ponadto bardzo często środowiska oraz, rzadziej, pola magnetycznego lub odkształcenia plastycznego.

RODZAJE OC

Ze wzglądu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i właściwości metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje OC:

=>obróbkę cieplną zwykłą; =>

obróbkę cieplno-chemiczną;

=>obróbkę cieplno-plastyczną (cieplno-mechaniczną);

=>obróbkę cieploo-inagnetyczną.

Ze względu na zasięg OC można podzielić na :

=>obróbkę cieplną objętościową;

=>obróbkę cieplną powierzchniową.

OPERACJA OC: jest to część procesu technologicznego OC wykonywana na jednym stanowisku OC przez jednego lub kilku (pracowników na jednym wsadzie (np. hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie)

ZABIEG OC: część operacji OC realizowana za pomocą tych samych środków technologicznych przy niezmienionych parametrach obróbki deptaj (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie)

WSAD: materiały, części 'Mb (przedmioty obrabiane cieplnie

GRZANIE: jednokrotne lub wielokrotne podwyższanie i następnie utrzymywanie temperatury wsadu:

=>ogrzanie objętościowe;

=>grzanie powierzchniowe.

NAGRZEWANIE: ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury wsadu:

=>podgrzewanie - podwyższanie temperatury wsadu 4o wartości

pośredniej;

=>dogrzewanie - podwyższanie temperatury wsadu od wartości

pośredniej do docelowej.

WYGRZEWANIE: wytrzymanie wsadu w temperaturze pośredniej lub docelowej.

CHŁODZENIE: obniżanie temperatury wsadu do temperatury otoczenia

lub innej:

-studzenie ( z piecem, spokojne pow.)

-oziębianie (szybkie chłodzenie np. w wodzie)

=>ochłodzenie ciągle;

=>ochłodzenie stopniowe;

O podchładzanie;

O dochładzanie;

O wychładzanie.

Przemiana perlitu w austenit jest związana z rozdrobnieniem ziarn. Średnia wielkość ziarn nowo utworzonego austenitu jest mniejsza od wielkości ziarn perlitu, z którego powstała faza γ

W technologii obróbki plastycznej i zwłaszcza obróbki cieplnej istotną rolę odgrywa wielkość ziarna austenitu pierwotnego, tj. austenitu istniejącego w stali v po zakończeniu wygrzewania bezpośrednio przed rozpoczęciem chłodzenia i przemianą alotropową.

Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego wpływa na polepszenie własności eksploatacyjnych stali normalizowanych i ulepszonych cieplnie.

Wykresy przemian austenitu przechłodzonego

W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowane

i wykresy:

• CTP_i - przy chłodzeniu izotermiczjnym;

• CTP_c - przy chłodzeniu ciągłym, anizotermiczne.

8.4. Przykłady obróbki cieplnej umacniającej i stabilizującej właściwości

8.4.1. Wyżarzanie

Wyżarzanie

Polega na nagrzaniu wsadu do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i zazwyczaj powolnym chłodzeniu z szybkością pozwalającą na otrzymanie struktury w stanie

Cele tych operacji:

- zmniejszenie twardości i tym samym ułatwienie obróbki skrawaniem lub obróbki plastycznej na zimno;

- uzyskanie struktury właściwej z punktu widzenia dalszych operacji obróbki cieplnej lub innych operacji technologicznych;

- zmniejszenie naprężeń własnych.

Temperatura jest najważniejszym parametrem wyżarzania. Zakres temperatur wyżarzania jest bardzo szeroki ( od otoczenia do temperatury bliskiej solidusu) i dzieli się; na temperatury

Wyżarzanie ujednoradniające - hombgenizacja

polega na długotrwałym (od kilku do kilkudziesięciu godzin) w wysokich temperaturach (lOOO-1250°C) celem zmniejszenia mikroniejednorodności chemicznej kryształów pierwotnych i następnie powolnym ochłodzeniu do temperatur podkrytycznych.

Ujednoradnianie przeprowadza się możliwie w wysokiej temperaturze w celu przyspieszenia procesów dyfuzyjnych, które prowadzą do wyrównania różnic składu chemicznego w obrębie ziarna.

Homogenizowanie:

- kosztowne i długotrwale;

-stosowane dla wlewków i niekiedy odlewów staliwnych;

-wywołuje rozrost ziarna;

-często stosowane dla stopów metali kolorowych.

Wyżarzanie normalizujące - normalizowanie

polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50°C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu co najmniej w spokojnym powietrzu.

Celem jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mecfoanicznydł stali.

Wyżarzanie sferoidyzujące - zmiękczanie

Wyżarzanie sferoidyzujące stosowane jest dla stali. węglowych i stopowych ze średnią i wysoką zawartością węgla, gdy po normalizowaniu lub żarzeniu wykazują zbyt wysoką twardość, a także gdy struktura perlityczna jako wyjściowa do późniejszego hartowania jest niepożądana.

Wyżarzanie sferoidyzujące w stalach nadeutektoidalmych stopowych (narzędziowych, łożyskowych) stosowane jest celem nadania odpowiedniego kształtu, dyspersji i rozłożenia węglików przed późniejszym hartowaniem.

Ze wzglądu na rodzaj uzyskanej struktury może być:

- martenzytyezne;

- bainityczne;

- perlityczne (patentowanie)

Ze wzglądu na zasięg hartowania:

Gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość warstwy zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia, hartowanie nazywane jest hartowaniem objętościowym.

Gdy austenityzowanie ogranicza się do cienkiej warstwy powierzchniowej i to i jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie to hartowanie nazywane jest powierzchniowym.

Ze względu na sposób chłodzenia:

- zwykłe (ciągłe);

- stopniowe;

- izotermiczne

Temperatura austenityzowania:

- dla stali węglowych podeatektoidalnyclł jest o 30-50wyższa od Ac₃.

- stale węglowe nadeutektofdalne austenityzuje się w temperaturze o 30 - 50°C wyższej od Ac₃.

- stale stopowe, zwłaszcza narzędziowe klasy nadeutektoidalnej lub ledeburytycznej są austenityzowane w temperaturze znacznie wyższej.

Szybkość chłodzenia po austenityzowaniu zależy od rodzaju stali i w pewnej mierze od kształtu przedmiotu.

Szybkość chłodzenia przy martenzytycznym hartowaniu objętościowym nie powinna być mniejsza od tzw. krytycznej szybkości chłodzenia - v_k nie tylko na powierzchni lecz również w rdzeniu.

Najczęściej stosowanymi ośrodkami chłodzącymi są różnego rodzaju ciecze, np. woda, wodne roztwory soli i ługów, rzadziej wodne roztwory kwasów oraz wszelkiego rodzaju oleje, charakteryzujące się różnymi szybkościami chłodzenia.

Patentowanie

Jeest szczególnym rodzajem hartowania izotermicznego. Celem jest otrzymanie struktury drobnego perlitu w drutach lub taśmach ze siali o zawartości węgla 0.35-l.0%

Polega na austenityzowaniu w temperaturze wyższej od Ac3 ( zazwyczaj ok. 1100°C) i oziębianiu do temperatury przemiany izotermicznej (400-550°C) w roztopionym ołowiu, siluminie lub soli o tej temperaturze.

Odpuszczanie

Polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac₁, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej.

W zależności od temperatury odpuszczanie może być:

-niskie 150 - 250°C, usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.

-średnie- 250 -500°C, uzyskanie wysokiej wytrzymałości i granicy sprężystości przy nieznacznym obniżeniu twardości.

-wysokie 500 do Ac₁, uzyskanie najwyższej udarności przy wystarczającej wytrzymałości na rozciąganie.

Proces odpuszczania- powinien być prowadzony bezpośrednio po hartowaniu.

Hartowanie powierzchniowe stosowane jest w celu uzyskania dużej twardości warstwy wierzchniej przy zachowaniu ciągliwego rdzenia o znacznie niższej twardości.

Osiąga się to przez szybkie nagrzewanie tylko warstwy wierzchniej z następnym jej chłodzeniem z szybkością co najmniej równą szybkości krytycznej.

W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania powierzchniowego:

- indukcyjne;

- płomieniowe;

- kąpielowe;

- kontaktowe;

- elektrolityczne;

- laserowe;

- elektronowe.

Hartowność stali jest to zdolność do hartowania się w głąb materiału na strukturę martenzytyczną.

Na hartowność mają wpływ następujące czynniki:

-skład chemiczny;

-wielkość ziarna austenitu;

-niejednorodność austenitu;

-obecność w strukturze stali nierozpuszczoraycli cząstek tlenków, azotków oraz węglików;

-szybkość chłodzenia.

Utwardzanie wydzieleniowe

Utwardzanie wydzieleniowe można realizować dla stopów tworzących układ równowagi fazowej, w którym występuje linia granicznej malejącej wraz z temperaturą rozpuszczalności w stanie stałym składnika stopowego.

Utwardzanie wydzieleniowe jest połączeniem dwu kolejnych operacji obróbki cieplnej - przesycania i starzenia.

Polega ona na utwardzeniu stopu metalicznego dyspersyjnymi cząstkami fazy wtórnej wydzielonej z przesyconego roztworu stałego.

Temperaturę przesycania stopów metali określa się orientacyjnie z zależności:

gdzie:

Tp - temperatura przesycania,

Tt - temperatura topnienia.

Praktycznie temperatura przesycania jest zwykle niższa o ok. 20 •*- 30°C ód temperatury eutektycznej.

Starzenie jest następującą po przesycaniu operacją utwardzania

wydzieleniowego i może być realizowane jako:

- samorzutne, przebiegające w zakresie temperatury 20-J-100°C (tylko w niektórych stopach),

- przyspieszone, zachodzące w zakresie temperatury powyżej 100°C, ale poniżej temperatury granicznej rozpuszczalności

DYFUZYJNE NASYCANIE WARSTW WIERZCHNICH NIEMETALAMI NAWĘGLANIE

• Nawęglaniu poddaje się zazwyczaj stale konstrukcyjne niestopowe i stopowe o zaw. C do 0,25%;

• Ten rodzaj OCCH stosuje się dla części, których charakter pracy wymaga twardej, odpornej na ścieranie i duże naciski powierzchni oraz wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej, przy zachowaniu ciągliwego rdzenia.

Wymagania stawiane częściom nawęglanym dotyczą:

=> grubości warstwy wierzchniej;

=> powierzchniowego stężenia węgla i rozkładu stężenia w warstwie

wierzchniej;

=> struktury warstwy i rdzenia;

=> wielkości ziarna byłego austenitu w warstwie powierzchniowej; => twardości warstwy i rdzenia.

Grubości warstwy mawęglonej: od 0,6 do 1,5 mm, czasem do 4,0 mm

Za optymalne stężenie C w warstwie powierzchniowej przyjmuje się stężenie EUTEKTOIDALNE

Po nawęglaniu należy przeprowadzać hartowanie i niskie odpuszczanie dla nadania odpowiedniej twardości warstwy wierzchniej:

• dla stali niestopowych od 58 do 60 HRC;

• => dla stali stopowych 56-58 HRC

Nawęglanie przeprowadza się wieloma metodami:

• gazowe;

• w ośrodkach starych;

• w próżni;

• w złożach fluidalnych;

• w cieczach;

• jarzeniowe.

Nawęglanie próżniowe

Przeprowadza się w piecach próżniowych w których wytwarza się próżnie i nagrzewa do temp. ok.l050°C.

Po usunięciu powietrza wprowadza się atmosferę nawęglającą, którą jest gaz ziemny oczyszczony z C0₂ i związków S.

Zalety:

-lepsza adsorpcja węgla z atmosfery

-mniejsze zużycie gazu

-krótszy czas procesu

-lepsze warunki bhp

Nawęglanie jonizacyjne

Polega na wygrzewaniu stali w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoczesnym przytożentem wysokiego napięcia stałego między przedmiotem a katodą a anodą.

Powstają jony węgla przyspieszane w pobliżu materiału, który jest przez nie bombardowany.

Zalety: wysoka wydajność, regulacja grubości i struktury warstwy nawęglonej.

Pełzanie

Szczególnym rodzajem odkształcenia plastycznego jest pełzanie wywołane długotrwałym oddziaływaniem obciążenia na materiał w podwyższonej temperaturze. Występuje w wielu urządzeniach energetycznych, np. kotłach parowych, rurociągach, wymiennikach ciepła, turbinach, decydując o eksploatacji i trwałości tych obiektów.

Można wyróżnić trzy charakterystyczne zakresy pełzania:

I - pełzanie pierwotne, nazywane również pełzaniem nieustalonym, przejściowym lub logarytmicznym, charakteryzuje się ciągłym zmniejszaniem prędkości odkształcenia wskutek umacniania się materiału. Odkształcenie w tym stadium pełzania jest małe, nie przekracza 1%. Wystejpuje gdy T<l/3Tt.

II - pełzanie ustalone (wtórne), w którym prędkość odkształcania jest stała, ma największe znaczenie dla zastosowań praktycznych. Występuje, gdy T>l/3Tt.

III - pełzanie przyspieszone (trzeciorzędowe), w którym następuje intensywny wzrost prędkości odkształcania związany z rozwojem i mikroszczelin, prowadzący w konsekwencji do pęknięcia materiału.

9. Właściwości mechaniczne materiałów

Właściwości mechaniczne materiałów określają zachowanie się, pod działaniem naprężeń wywołanych siłami zewnętrznymi, zmianami temperatury, przemianami fazowymi, zmianami objętości itp. Materiał poddany obciążeniu mechanicznemu reaguje poprzez:

• odkształcenie sprężyste;

• odkształcenie plastyczne;

• umocnienie;

• pękanie.

Właściwości mechaniczne zależą od składu chemicznego, historii materiału, struktury, warunków obciążania, wielkości naprężeń, temperatury.

Opracowano liczne metody oceny właściwości mechanicznych materiałów. W próbach tych symuluje się warunki obciążeń rzeczywistych występujących w częściach maszyn czy konstrukcji.

Praktyczne stosowanie tych metod umożliwia odbiór techniczny materiałów na kolejnych etapach wytwarzania, pozwala na porównanie i klasyfikowanie wg określonych kryteriów, zastosowań itp.

9.1. Stan naprężenia i odkształcenia

Działanie dowolnego układu sił zewnętrznych (P₁ P₂, P₃) na powierzchnię ciała zdolnego do odkształcania wywołuje w nim naprężenia.

Stan naprężenia w otoczeniu punktu B jest określony za pomocą tensora naprężeń.

Przez każdy punkt materialny można przeprowadzić takie trzy wzajemnie prostopadłe płaszczyzny, na których naprężenia styczne znikają. Kierunki prostych normalnych do tych płaszczyzn nazywa się kierunkami głównymi, a działające w tych kierunkach naprężenia normalne określa się jako naprężenia główne i oznacza jako QI, a2, a3.

Wartość odkształcenia wyznacza wskaźnik odkształcenia. W przypadku jednoosiowego rozciągania można wyznaczyć odkształcenie liniowe:

• odkształcenie względne s:

• odkształcenie rzeczywiste (logarytmiczne) φ

Pod wpływem działania naprężeń stycznych materiał może ulegać odkształceniu postaciowemu określanemu względną zmianą kąta pomiędzy kierunkami, które przed odkształceniem były do siebie prostopadłe, np.: y=tgΦ przy prostym ścinaniu:

W złożonym stanie odkształcenia wyznacza się odkształcenie zastępcze φi:

Zakłada się przy tym, że objętość materiału nie ulega zmianie, wobec tego spełniony musi być warunek:

W odkształcanym materiale wystąpić może płaski stan odkształcenia, kiedy jedna z trzech składowych równa się zero lub przestrzenny stan odkształcenia,

kiedy wszystkie składowe są różne od zera.

9.2. Wytrzymałość mechaniczna materiałów

Badania właściwości mechanicznych materiałów można podzielić na służące:

• określeniu właściwości technologicznych, decydujących o przydatności materiałów do odpowiednich procesów technologicznych;

• określeniu właściwości wytrzymałościowych, poprzez znajomość siły lub momentu sił, jako wielkości mierzonych.

Zróżnicowane warunki pracy różnych elementów konstrukcyjnych wymagają przeprowadzenia badań właściwości mechanicznych w różny sposób. Wykonywane są próby statyczne lub dynamiczne:

• rozciągania;

• skręcania;

• zginania;

• ściskania

Próby oceny właściwości mogą być prowadzone przy temperaturze pokojowej lub w podwyższonej czy obniżonej. Ocena ta może być przy stałym obciążeniu, przy długotrwałym obciążeniu - mówimy wtedy o badaniach zmęczeniowych.

W statycznej próbie rozciągania wyznacza się:

• wytrzymałość na rozciąganie Rn, - naprężenie rozciągające wyrażone w Pa, odpowiadające największej sile obciążającej uzyskanej podczas przeprowadzenia próby

gdzie: Fm - największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby [N];

S0 - pole przekroju pierwotnego próbki [m ];

• wyraźną granicę plastyczności R« - naprężenie rozciągające, po osiągnięciu którego występuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez zwiększenia lub nawet przy krótkotrwałym zmniejszeniu siły obciążającej

gdzie: Fe - siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [N]

• umowną granicę plastyczności Ro,2 - w przypadku braku wyraźnej granicy plastyczności, naprężenie rozciągające, wywołujące w próbce umowne

v

wydłużenie trwałe równe 0,2%

• umowną granicę sprężystości R_0,05 - określa się tak jak granicą Ro₂ przyjmując wydłużenie trwałe równe 0,05%;

• wydłużenie próbki proporcjonalnej po rozerwaniu Ap; wyznacza stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po rozerwaniu AL do długości pomiarowej próbki L0 wyrażony w procentach

gdzie: p - wskaźnik wielokrotności długości pomiarowej L₀ w odniesieniu do średnicy do lub średnicy równoważnej o przekroju nieokrągłym 1,13 S₀, np. A₅ oznacza wydłużenie próbki o długości pomiarowej 5-krotnej;

• przewężenie w miejscu rozerwania próbki Z - jest to stosunek zmniejszenia pola powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania S₀ do pola powierzchni jej pierwotnego przekroju S₀ wyrażone w procentach

Wydłużenie i przewężenie określają właściwości plastyczne materiału, czyli zdolność do trwałych odkształceń, natomiast pozostałe wskaźniki charakteryzują właściwości wytrzymałościowe.

Mikrotwardość

Twardość, której pomiary dokonywane są przy bardzo małych obciążeniach, przyjęto że niniejsze niż 2 N, jest nazywana mikrotwardością.

Jest jedyna znormalizowana metoda pomiaru mikrotwardości - metoda Yickersa przy obciążeniach: 0,0098 N (HVO,001); 0,0196 N (HVO,002); 0,0491 N (HVO,005); 0,0981 N (HVO,01); 0,1962 N (HVO,02); 0,4905 N (HVO,05); 0,981 N(HVO,1).

Mikrotwardość zmierzoną metodą Yickersa ogólnie oznacza się μHV.

Metoda Rockwella

Polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika w badany materiał oraz pomiarze trwałego przyrostu głębokości odcisku po odciążeniu. Twardość jest różnicą pomiędzy stałą wartością K a głębokością odcisku h

HR = K-h

gdzie: h - trwały przyrost głębokości odcisku,

K - 130 (0,26 mm) dla kulki; K = 100 (0,20 mm) dla stożka Jeśli pomiar wykonywany jest przy pomocy kulki, wtedy twardość oznacza się symbolem HRB, stosując stożek — m. in. HRC. Kulkę stalową stosuj e się dla materiałów o twardości 35-100HRB. Stożek diamentowy natomiast stosuje się do pomiaru twardości 20-67HRC.

Metoda Knoopa

Polega na statycznym wgniataniu wgłejmika w kształcie ostrosłupa o podstawie rombu w badany materiał.

Twardość jest proporcjonalna do stosunku obciążenia F do powierzchni S rzutu trwałego odcisku i wynosi:

Metoda ta jest głównie stosowana do pomiaru twardości warstw powierzchniowych

Metoda Yickersa

Polega na statycznym wgniataniu wgłębnika w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratu i kącie między przeciwległymi ścianami równym 136° w badany materiał.

Twardość jest proporcjonalna do stosunku obciążenia do powierzchni bocznej trwałego odcisku S.

Oznacza się ją odpowiednio: HVO,2 HVO;3 HVO,5 HV15 HV2, HV3, HV5, HV10, HV20, HV30 i oblicza następująco:

Polega na statycznym wciskaniu kulki o średnicy D w powierzchnię materiału obciążeniem wywołanym siłą F:

gdzie: F = obciążenie w N,

D - średnica kulki (najczęściej 30, 10, 5, 2,5, l [mm])

d - średnica odcisku [mm] Obciążenie F wyrażone w niutonach jest dobierane na podstawie zależności:

9.3. Twardość materiałów

Twardością .nazywa się odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnią materiału, wywołanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika.

Ponieważ twardość nie stałą materiałową, porównywanie twardości jest możliwe w zakresie jednej metody.

W zależności od zasięgu strefy odkształcenia rozróżnia się pomiary makro- i mikrotwardości.

Do najczęściej stosowanych metod pomiarów twardości należą:

• metoda Brinella,

• metoda Yickersa,

• metoda Knoopa,

• metoda Rockwełla.

9.2.4. Własności wytrzymałościowe wyznaczone przy zginaniu

Próba zginania polega na obciążaniu siłą F próbki podpartej w dwóch punktach i wyznaczeniu strzałki ugięcia f.

Znając wartości momentów gnących można wyznaczyć charakterystyczne wielkości:

• granicę proporcjonalności przy zginaniu

• granicę plastyczności przy zginaniu

• wytrzymałość na zginanie

• granicę proporcjonalności

• .granicę plastyczności

• wytrzymałość na skręcanie

gdzie: Ws - wskaźnik przekroju na skręcanie (dla przekroju kołowego Ws=πd³/16

9.2.2. Właściwości wytrzymałościowe wyznaczane przy ściskaniu

Próba ściskania ma zastosowanie głównie do badań właściwości materiałów i kruchych.

Stosunek maksymalnej siły Fc potrzebnej do zniszczenia próbki do pola pierwotnego przekroju S₀ wyznacza wytrzymałość na ściskanie R_c

Beton i cement przy małych naprężeniach cechuje się odkształceniem :sprężystym.

Występujące pojedyncze pęknięcia, powstałe w czasie wytwarzania tych materiałów, w trakcie ściskania rozprzestrzeniają się równolegle do kierunku naprężeń ściskających.

Największą wytrzymałość na ściskanie uzyskuje się, gdy liczba pęknięć jest tak duża, że powoduj ą kruszenie się cementu lub betonu.

1

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

---