Badanie własności materiałów:

Były 4 zestawy:

odkształcenie, naprężenie, próba rozciągania i stal konstrukcyjna.
-naprężenia - co to jest, a nie jak powstaje, sigma11- co to oznacza, gdzie działają naprężenia, tensor do rozpisania, zahaczył przy tym temacie u kogoś o udarność

-odkształcenia - opisać jakie są, na podstawie narysowanego przez prof wykresu stwierdzić który materiał ma większe wydłużenie proporcjonalne,
-wzór Kic- opisać, wyjaśnić symbole etc.
-odporność na pękanie, dlaczego statki pękały, udarność, znów wykresy od profesora do interpretacji

-parametry przy próbie rozciągania - wypisać wszystkie, opisać, dodać jakie mają jednostki, przy tym temacie zapytał kogoś o defekty i umocnienie, na podstawie wykresy stwierdzić który materiał się najbardziej umocni,

-stal konstrukcyjna- czym się charakteryzuje, właściwości, osoba z warunku miała przy tym pytanie: spawanie konstrukcji wielkogabarytowych, jaka ma siec stal austenityczna i aluminium, jaka stal lepsza i droższa - austenityczna czy ferrytyczna?

pytał jeszcze o tworzenie sie szyjki, jednostke odkształcenia, odkształcenie logarytmiczne, K1c ( wyjaśnić wzór i dlaczego c , dlaczego 1 )
pytanie o umocnienia -rodzaje ,opisać ,do każdego przypisać materiał który bym danym umocnieniem umocnił , jakim umocnieniem umacnia się stale konstrukcyjne - przez rozdrobnienie ziarna - dlaczego ?? Wykres TPSK - wiele pytań : narysować (bardzo dokładnie) , jak można wpłynąć na zmiane lini wykresu co przesuwa w prawo , w lewo , co w góre , co w dół, jak wyglądał by po umocnieniu poprzez rozdrobnienie - narysować

porównać metale ceramiki i polimery
jakie wiązania w nich występują
rodzaje umocnienia
udarność
o TPSK było dużo pytań

naprężenie i odkształcenie - przeważnie ludzie na tym padali bo zadawał mase szczegółowych pytań
różnice miedzy metalami, ceramikami i polimerami
pytanie odnośnie odkształcenia tzn które jest lepsze: nominalne odkształcenia liniowe czy logarytmiczne.

1. Metale, ceramiki i polimery:

Wśród materiałów inżynierskich wyróżnia się: metale i ich stopy, materiały ceramiczne i szkła, polimery, kompozyty oraz półprzewodniki.

Metale i ich stopy. Zalety :dużą sztywność, ciągliwość (zdolność do odkształceń trwałych), odporność na pękanie, przewodność elektryczną i cieplną, a także charakteryzują się połyskiem metalicznym na swojej powierzchni. Wady czystych metali: słaba wytrzymałość mechaniczna. Wady stopów metali: słaba odporność chemiczna, łatwość ulegania korozji. Zastosowanie: użyteczne w budowie konstrukcji. Budowa: krystaliczna, ułożenie atomów regularne i powtarzalne.

Materiały ceramiczne to w większości tlenki lub związki chemiczne metali z np. C, N, P i S. Podstawowe tlenki: tlenek aluminium, krzemu, magnezu. Podstawowe węgliki: węglik krzemu, azotek krzemu. Wady: mała przewodność elektryczna i cieplna, słaba odporność na pękanie i ciągliwość. Zalety: są odporne na korozje, a także na wysokie temperatury , mają dość dobrą wytrzymałość. Budowa : krystaliczna, ułożenie atomów regularne i powtarzalne.

Dodatkowe informacje: Ze względu na strukturę wyróżnia się: ceramiki krystaliczne, szła i tworzywa szklano-ceramiczne. Ze względu na kruchość ceramik ich podstawowym parametrem wytrzymałościowym jest określana w próbie zginania wytrzymałość na zginanie. (str. 347)

Polimery: tworzywa sztuczne lub inaczej materiały wielkocząsteczkowe, są głównymi związkami chemicznymi węgla z wodorem, ale mogą zawierać też: O, N, F, Cl, S. Polimery są utworzone z merów, których liczba w cząsteczce polimeru wynosi zwykle ponad 500. Dodaje się do nich dodatki, którymi często są: napełniacze, zmiękczacze, stabilizatory, środki smarujące, środki zmniejszające palność i środki barwiące. Wady: mała przewodność cieplna i elektryczna, niska temperatura topnienia, mała sztywność. Zalety: odporność na korozje, estetyczny wygląd, mała gęstość, łatwość nadawania skomplikowanych kształtów, mały współczynnik tarcia, nie trzeba stosować dodatkowej obróbki wykańczającej, by dostał powierzchnię estetyczną. Wyróżnia się polimery: termoplastyczne, termoutwardzalne, i elastomery. Niektóre polimery takie jak polimery termoplastyczne mają dodatkowo, dobrą ciągliwość, formowalność, odporność na obciążenia dynamiczne.

Dodatkowe informacje: w polimerach występują słabe wiązania wtórne, lub posiadają one strukturę usieciowioną. Łączenie się monomerów odbywa się podczas polimeryzacji przez addycję lub kondensację. (str. 374)

Kompozyty: składają się z co najmniej dwóch materiałów należących do trzech uprzednio wymienionych grup. Wyróżnia się zwykle: kompozyty wytwarzane przez człowieka(kompozyt składający się z włókien szklanych na osnowie polimeru) i kompozyty naturalne(wzmacniany włóknami drewno). Beton to kompozyt typu agregatowego, w którym kruszywo czyli kamienie i piasek, wzmacnia osnowę cementową. Można osiągnąć właściwości, normalnie nieosiągalne w klasycznych grupach materiałów. Zastosowanie: sprzęt sportowy, części samolotów.

Dodatkowe informacje: W kompozytach wyróżnia się fazę umacniającą oraz osnowę otaczającą cząstki fazy umacniającej. Zarówno osnowa, jak i włókna mogą być metalami, ceramikami czy polimerami. W kompozytach włóknistych o osnowie polimerowej stosowane są zwykle włókna szklane, węglowe i ar amidowe. Własności mechaniczne kompozytów z włóknami ciągłymi i zorientowanymi tylko w jednym kierunku, mają bardzo dużą anizotropie. Kompozyty są najmocniejsze w kierunku równoległym do włókien, a najsłabsze w kierunku prostopadłym.

Porównanie kompozytów: Kompozyt z włóknami szklanymi jest najtańszy, a najdroższy kompozyt z włóknami węglowymi. Osnowa w przypadku włókien szklanych jest najczęściej poliestrowa, w przypadku węglowych-epoksydowa.

Kompozyty naturalne: drewno, jest włóknistym kompozytem, którego włókna celulozy tworzą wydłużone komórki stanowiące bardzo duże wzmocnienie drewna w kierunku osiowym. Ma bardzo anizotropowe własności.

Beton-kompozyt ceramiczny, składający się z wypełniacza, którym jest kruszywo oraz spoiwa, który często jest cementem portlandzkim. Małą wytrzymałość na rozciąganie betonu można zwiększyć przez zbrojenie prętami, drutami lub siatką stalową lub poprzez wytworzenie w nim wstępnych naprężeń ściskających. (str. 399)

Półprzewodniki: nie są ani dobrymi przewodnikami elektryczności, ani nie są dobrymi izolatorami. Dodaje się do nich domieszki, dzięki czemu zmieniają się gwałtownie ich własności elektryczne. Powszechne półprzewodniki pierwiastkowe: krzem i german, a także zw. Chemiczny: arsenek galu (GaAs). Zastosowanie: produkcja satelitów komunikacyjnych, podręczne kalkulatory, nowoczesne komputery.

(Wiązania występujące w ceramice i polimerach- laborka nr 1 z Rozmus)

2. Naprężenie i odkształcenie ;

Naprężenie σ jest nazywane naprężeniem rozciągającym, gdyż jest ono spowodowane siłą ciągnienia w kierunku osi oraz prostopadłą do płaszczyzny rozpatrywanego przekroju poprzecznego.

σ=F/S

Gdy siła F nie jest prostopadła do powierzchni, to rozkładamy taką siłę na dwie składowe: jedną normalną do powierzchni, a drugą do niej równoległą. Składowa normalna F_n, wytwarza naprężenie rozciągające o wartości F_n/S, a składowa styczna F_s, naprężenie styczne. Wartość takiego naprężenia określa:

τ=F_s/ S

Jednostka siły to zazwyczaj niuton, ale ze względu na duże wartości stosuje się mega niuton na metr kwadratowy, lub mega paskal.

Odkształcenia:

Odkształcenie spowodowane przez naprężenie rozciągające nazywamy odkształceniem liniowym.

Nominalne odkształcenie liniowe to stosunek przyrostu długości pod wpływem obciążenia do długości początkowej, zdefiniowane jest wzorem:

ε_n=

Podczas wydłużenia materiału zwykle następuje zmniejszenie przekroju poprzecznego, czego miarą jest odkształcenie poprzeczne, wyrażone wzorem:

ε_p=

Naprężenie styczne powoduje odkształcenie postaciowe, zdefiniowane wzorem:

γ= w/l₀=tgѲ

Nominalne odkształcenie liniowe w przypadku dużych odkształceń, nie jest zbyt dobrą miarą stanu materiału odkształconego, gdyż takim samym wartością bezwzględnym odkształcenia odpowiada całkiem inny stan materiału. W przypadku dużych odkształceń lepszą miarą jest odkształcenie rzeczywiste (odkształcenie logarytmiczne), które jest odkształceniem względnym odniesionym do rzeczywistego przekroju; jest ono wyrażone przez logarytm naturalny stosunku długości po odkształceniu do długości początkowej. Wyraża się je wzorem:

ε_r =
= ln
(l₀ - długość przed odkształceniem, l- długość po odkształceniu)

Odkształcenie sprężyste to takie odkształcenie, które wywołane obciążeniem ma charakter przemijający, czyli zanika całkowicie po usunięciu obciążenia. Takie zachowanie materiału opisuje Prawo Hooke'a.

Odkształcenie plastyczne- odkształcenie pozostające po usunięciu obciążenia, po prostu odkształcenie trwałe.

Odkształcenie objętościowe (dylatacja), wyrażona wzorem: Δ=

Miarą zmiany przekroju poprzecznego jest odkształcenie poprzeczne, wyrażone: ε_p=

Współczynnik Poissona: zdefiniowany jest jako stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia wzdłużnego. Aby wartość współ. Poissona była dodatnia, w wzorze zastosowano znak minus:

V= -
= -

Dla niektórych materiałów współczynnik ma wartość:

Metale: 0,33; ceramika: 0,25; polimery:0,4.

Dodatkowe informacje:

Koło Mohra- to graficzna reprezentacja stanu naprężenia. Koło Mohra pozwala znaleźć wykreślnie wartości naprężeń normalnych i stycznych w dowolnym kierunku, a także określić naprężenia główne i kierunki główne. (rysunki na kartce)

3. Próba rozciągania

Statyczna próba rozciągania to badanie reakcje materiału na jednoosiowe powolne obciążenie ; próba ta pozwala określić podstawowe parametry, takie jak: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga, wydłużenie i przewężenie.

Własności sprężyste:

• Moduł sprężystości (moduł Younga), E

• Prawo Hooke'a : Δσ=EΔε

Moduł Younga (współczynnik sprężystości wzdłużnej) - stosunek naprężenia normalnego do wywołanego odkształcenia sprężystego w zakresie odkształcenia sprężystego. Współczynnik ten jest w zasadzie obojętny na mikrostrukturę, prze co obróbka cieplna i plastyczna mają jedynie niewielki wpływ na E. Wartość modułu Younga jest miarą oporu stawianego przez sąsiednie atomy podczas zwiększania między nimi odległości. E zależy głównie od natury wiązań między atomami, składu chemicznego materiału i struktury krystalicznej. Współczynnik ten maleje ze wzrostem temperatury, a w warunkach pełzania zależy od szybkości odkształcenia. Jednostką jest: giga Pascal (GPa).

Moduł sprężystości postaciowej: τ=Gj,

Moduł ściśliwości K : P= -K
,

Relacje dla materiałów izotropowych:

G=
K=
, a ogólnie v= 1/3, dlatego:

G=
K=E

Wytrzymałość Rm to największe naprężenie na krzywej rozciągania, przykłady: wskaźnik Rm wykazują metale, gdy zaczyna tworzyć się szyjka(syka działa jako koncentrator naprężenia), polimery: gdy łańcuchy układają się w jednym kierunku.

Parametry ciągliwości:

- procentowe wydłużeniu A:

A=

-przewężenie procentowe Z:

Z=

Wiązkość to podatność materiału na pękanie lub złamanie, odpowiadająca energi pochłoniętej w czasie powstawania pękania niszczącego materiału. W przybliżeniu to powierzchnia pod krzywą rozciągania. Jednostką jest: J/m³ . Małą wiązkością wykazują się ceramiki i polimery, a dużą metale. Przy kruchym pękaniu występuje energia sprężysta, a przy ciągliwym pękaniu oprócz energii sprężystej pojawia się energia plastyczna.

4. Struktura krystaliczna ciał stałych

Podstawową cechą struktury krystalicznej jest to, że atomy są ułożone w okresowo powtarzających się odstępach w co najmniej trzech nierównoległych i nie leżących w jednej płaszczyźnie kierunkach.

Do opisu struktury wybiera się zwykle najprostszy element tj. taki, który jest względnie mały i którego krawędzie tworzą, jeżeli to możliwe, kąt prosty. Taki element struktury jest nazywany komórką elementarną. Długości krawędzi komórki elementarnej (a, b, c) i kąty między nimi (α, ϐ,γ) są nazywane stałymi sieciowymi lub parametrami sieciowymi.

Opis struktury krystalicznej za pomocą komórek elementarnych jest bardzo dogodny, bo wszystkie możliwe struktury zostają zredukowane do siedmiu różniących się kształtem komórek elementarnych, których powtarzanie- ściana do ściany- wypełnia ściśle trójwymiarową przestrzeń. Są one nazywane siedmioma układami krystalograficznymi.

Przy opisie struktur bardzo pomocne jest rozpatrywanie zbioru punktów, nazywanych często węzłami sieciowymi, a nie atomów tworzących kryształ. Cechą charakterystyczną zbioru takich punktów jest, że każdy punkt ma takie samo otoczenie. Utworzona przez takie punkty sieć nazywana jest siecią punktową, lub siecią Bravais'a. Istnieje tylko 14 różnych sieci punktowych.

Materiały krystaliczne: metale, wiele ceramik, niektóre polimery.

Kryształem jest fizycznie i chemicznie jednorodne i anizotropowe ciało stałe o prawidłowo powtarzającym się w 3 wymiarach rozmieszczeniu atomów, jonów lub cząsteczek, czyli ciało wykazujące określony tzw. transakcyjny porządek dalekiego zasięgu.

Polikryształ: własności mogą lub nie, zależeć od kierunku, gdy ziarna w takim krysztale są zorientowane przypadkowo to mówimy o izotropii, gdy ziarna mają uprzywilejowaną orientację, to mówimy o anizotropii.

Monokryształ - kryształ niezawierający wrostów innych substancji, niewykazujący zrostów ani pęknięć. Wielkość takiego kryształu nie ma znaczenia. W monokrysztale własności zależą od kierunku.

Symbolika Poissona:

P- prymitywna,

F- ściennie centrowana,

I-przestrzennie centrowana,

C- centrowana na podstawie ( dodatkowe pkt. na przeciwległych ścianach),

R-romboendryczna.

Model sztywnych kul polega na traktowaniu atomów jako sztywne kule o określonej średnicy.

Współczynnik wypełnienia przestrzeni w przypadku modelu sztywnych kul liczymy z wzoru:

WWP=

Przykład dla RP=0,52

WW5=
, gdzie 8
1 atom/ kom. elementarną , a R=0,5a

Przyczyny tendencji do gęstego ułożenia atomów:

-zazwyczaj promienie wszystkich atomów są jednakowe,

-wiązanie metaliczne jest bezkierunkowe,

- odległości między sąsiednimi atomami są małe, bo jest minimalna energia wiązań,

- chmura elektronowa jest wspólna dla wszystkich jonów,

- mają najprostszą strukturę krystaliczną.

5. Udarność

Metodą pomiaru udarności jest próba Charpy'ego. Polega ona na dynamicznym zginaniu próbki z karbem, próbka do badań ma kształt prostopadłościanu.

Stopy o strukturze RSC charakteryzują się ciągliwym typem przełomu (dobrą udarnością), niezależnie od temp. badania , natomiast stopy o strukturze HZ są kruche. Stopy o strukturze RPC w zależności od temp. mają różny sposób pękania. Ich pękanie ma zwykle kruchy (mała energia łamania), w temperaturach niskich oraz ciągliwy (duża energia łamania) w temp. wyższych. Przełom kruchy ma charakterystyczną powierzchnię łupliwą. Rozdrobnienie ziarna jest jedynym mechanizmem umocnienia przesuwającym przejście stali w stan kruchy do niższych temp. Pozostałe mechanizmy umocnienia przesuwają przejście stali w stan kruchy do wyższych temp. Udarność w zakresie przełomu ciągliwego zależy od czystości stali. Należy zwrócić uwagę na zmniejszenie zawartości siarki.

6. Tworzenie się szyjki

Odkształcenie plastyczne tworzy się w najsłabszym przekroju próbki. Odkształcenie powoduje zmniejszenie lokalne przekroju poprzecznego próbki, dlatego rzeczywiste naprężenie jest w tym przekroju większe. Próbka będzie odkształcać się w obszarze największym naprężeniu, tylko jeśli materiał jest nieumacniający się odkształceniowo. W innych przypadkach, materiał umacnia się, przez co jest mniej skłonny do odkształcenia. Potrzebny jest wobec tego wzrost naprężenia. Przekrój poprzeczny próbki na całej długości jest makroskopowo jednorodny. Jednak, w pewnym momencie umocnienie jest mniejsze niż osłabienie i wtedy zaczyna tworzyć się szyjka (przewężenie). W tym samym momencie zmniejsza się obciążenie. Próbka rozciąga się po przekroczeniu maksymalnego obciążenia, a także dalej umacnia się.

Z notatek Kasi:

Szyjka tworzy się, gdy dF=0, dlatego : σdS= - Sdσ= dσ/σ= - dS/S

Szyjka nie tworzy się, gdy: dσ/σ>-dS/S

SdL+LdS=0, a z tego wynika : -dS/ S= dL/ L= d

Dlatego: dσ/σ=dε , a z tego wynika, że : σ=dσ/dε ( Wyrażenie podkreślone jest inaczej nazywane kryterium Comldere'a - pozwala on wyznaczyć odkształcenie przy którym rozpoczyna się tworzenie szyjki)

7. Skala twardości dla materiałów od najmiększych, do najtwardszych:

• Większość plastików

• Mosiądze, stopy Al.

• Stopy obrabialne plastycznie

• Pilniki

• Narzędzie tnące

• Stal azotowana

• Diament

8. Defekty struktury krystalicznej:

• Punktowe

• Wakacje,

• Atomy międzywęzłowe,

• Atomy substytucyjne

• Liniowe

• Dyslokacja

• Powierzchniowe

• Granice ziarn.

Defektami punktowymi są wakacje( miejsce nie zajęte przez atom lub jon), atomy w położeniu międzywęzłowym i rozpuszczone atomy domieszki. Jeżeli średnica atomu domieszki jest zbliżona do średnicy atomu rozpuszczalnika, to tworzący roztwór jest substytucyjny, natomiast roztwór międzywęzłowy tworzy się, gdy atom domieszki jest na tyle mały, że mieści się w luce między atomami rozpuszczalnika. W przypadku tworzenia się defektów punktowych w związkach jonowych wymagana jest lokalna równowaga ładunków. Przemieszczanie atomów w ciele stałym dzięki aktywacji cieplnej jest nazywane dyfuzją. Może odbywać się no dwoma sposobami: wakacyjnym i międzywęzłowym. Energia dyfuzji jest mała w przypadku materiałów o niskiej temp. topnienia, materiałów o niskim stopniu wypełnienia przestrzeni przez atomy, dla dyfuzji mechanizmem międzywęzłowym oraz dla dyfuzji po graniach ziaren.

Od Kasi: Parametry granic ziaren: trzy kąty określające orientację ziaren względem siebie lub kierunku, wspólny dla obu i kąt o jaki należy obrócić jedno ziarno wokół tej osi, aby jego orientacja polepszyła się.

Bliźniakowanie: wartość przemieszczenia jest funkcją odległości od płaszczyzny zbliźniaczenia, przemieszczenie zachodzi w obszarze bliźniaka na każdej płaszczyźnie atomowej równoległej do płaszczyzny zbliźniaczeń.

Poślizg: wartość przemieszczenia poszczególnych części kryształu jest zmienna, ale zawsze równa całkowitej liczbie odległości międzyatomowych w kierunku poślizgu, występuje na wiele równoległych znacznie od siebie oddalonych płaszczyznach, może następować w przeciwnych kierunkach w jednej płaszczyźnie.

Czynniki sprzyjające odkształceniu przez bliźniakowanie: duża szybkość odkształcenia, niska temp, duże ziarno, w metalach RSC niska EBV.

Dyslokacje są defektami liniowymi przemieszczającymi się pod działaniem naprężeń. Wyróżniamy: dyslokacje krawędziową i śrubową. Miarą zaburzenia struktury krystalicznej wokół dyslokacji jest wektor Burgersa, który jest prostopadły do dyslokacji krawędziowej, a równoległy do dyslokacji śrubowej. Dyslokacja stanowi granice między tym obszarem kryształu, w którym dwie części kryształu przemieściły się względem siebie, i tym obszarem, w którym przemieszczenie jeszcze nie nastąpiło. Płaszczyzna poślizgu i leżący w niej kierunek poślizgu tworzą system poślizgu. Poślizgowy ruch dyslokacji rozpoczyna się gdy naprężenie w płaszczyźnie i kierunku poślizgu osiągnie wartość krytyczną.

Opracowanie laborek Cieniek próba roziąciągania:

Podstawową metodą badań własności mechanicznych metali jest statyczna próba rozciągania, która umożliwia określenie własności wytrzymałościowych i plastycznych badanych mat. Próba ta polega na powolnym rozciąganiu odpowiednio przygotowanej próbki zamocowanej w szczękach maszyny wytrzymałościowej. Każda maszyna wytrzymałościowa składa sięz dynamometru pozwalającego na odczyt siły działającej na próbkę oraz rejestratora, zapisującego zmiany długości dl części pomiarowej próbki l₀ i wartości statycznie przykładanego obciążenia F.

Aby możliwe było porównanie wykresów rozciągania uzyskanych dla próbek o różnych wymiarach wykresy normalizuje się. Normalizacja polega na tym, że obciążenie F zastępuje się naprężeniem nominalnym σ_n =F/S₀ a wydłużenie zastępujemy odkształceniem nominalnym ε_n=dl/l₀

Pole przekroju poprzecznego próbki maleje ze wzrostem odkształcenia, zatem naprężenie rzeczywiste σ_r działające w próbce odkształcającej się jest większe niż naprężenie nominalne σ_n, a różnica między tymi naprężeniami rośnie ze wzrostem odkształcenia próbki.

---