1. Wiązania między atomami. Rodzaje i charakterystyka

Wiązanie chemiczne jest to sumaryczny efekt oddziaływań pomiędzy wiążącymi się

układami, w wyniku ktorego następuje obniżenie energii. / Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów.

1. Wiązanie pierwotne

Wiązanie jonowe (heteropolarne) - atomy przyciągają się tzw. siłami Coulomba; energia wiązania kilkaset ÷ 1000 kJ/mol. Powstaje, gdy różnica elektroujemności między atomami wynosi co najmniej~ 1,7. Atom o mniejszej elektroujemności przekazuje eletkron atomowi o większej elelktroujemności, przez co uzyskują konfigurację oktetu / dubletu

Wiązanie kowalencyjne (homeopolatne) - energia wiązania kilkaset kJ/mol, powstaje między atomami, między którymi różnica elektroujemności wynosi do ~ 1,7, powstaje przez uwspólnienie elektronów, uwspólnione elektrony przesunięte są w strone atomu bardziej elektroujmnego, co powoduje powstanie cząstkowego ładunku dodadniego na atomie o mniejszej elektroujemności i cząstkowego ładunku ujemnego na atomie o większej elektroujemności

Wiązanie metaliczne - w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych zbliżają sięone do siebie oddając elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów. Elektrony walencyjne (tzw. gaz elektronowy) przemieszczaja sięswobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi; energia wiązania kilkadziesiąt ÷ kilkaset KJ/mol

2. Wiązania wtórne

siły van der Waalsa - występują między dipolami cząsteczek lub atomów (rozdzielenie centrów ładunku „+” i „-”): dipolami wyindukowanymi, cząsteczkami spolaryzowanymi lub dipolami wyindukowanymi i cząsteczkami spolaryzowanymi; energia wiązania kilka ÷ kilkadziesiąt kJ/mol

siły Londona- wykreowane lub wyindukowane w atomach lub cząsteczkach, które są elektrycznie obojętne; energia wiązania kilka ÷ kilkanaście kJ/mol

wiązania wodorowe - Występują między cząsteczkami, w których atom „H” jest kowalencyjnie związany z fluorem, azotem bądź tlenem (np..H₂O) . Wodorowy koniec wiązania niesie ładunek dodatni (elektron walencyjny jest uwspólniony). Najsilniejsze z wiązań wtórnych; energia wiązania kilkadziesiąt kJ/mol

2. Podstawowe układy krystalograficzne w metalach.

Parametry i właściwości sieci A1, A2 i A3.

Przeważająca większość metali odznacza się jedną z trzech struktur:

Al - płasko-centryczną układu regularnego (sieć płaskow centrowana),- atomy w rogach i środkach bokow sześciennej

komorki elementarnej, Lk = 12, W = 0,74.

Metale te wykazują szczegolnie dobrą plastyczność na gorąco, a niektore

także na zimno, i są bardzo dobrymi przewodnikami ciepła i prądu

elektrycznego.

np. Al, Cu, Ag, Au, Ni, Pb, g Fe, Ir, Pt

A2 - przestrzeń niecentryczna układu regularnego( sieć przestrzennie centrowana) - atomy w rogach i środku

sześciennej komorki elementarnej, mniejsze wypełnienie od A1,

Lk = 8, W = 0,68

Metale tej grupy są mniej ciągliwe niż metale grupy pierwszej i nadają

się przeważnie tylko do obrobki plastycznej na gorąco.

np. Na, K , Li, Ba, α Fe, δ Fe, Mo, W, V,

A3 - zwarta(złożona) układu heksagonalnego. Lk = 12 , W=0,74 ; w podstawie sześciokąt ,

atomy w rogach , w środkach podstaw i w środku co drugiego boku.

Metale o sieci heksagonalnej mają znacznie gorsze własności plastyczne

niż metale o sieci regularnej i tylko niektore z nich mogą być obrabiane plastycznie na gorąco

i na zimno.

np. Be, Ca, Zn, Mg, Cd

Niezależnie od układu krystalograficznego i typu komorki zasadniczej sieć przestrzenną

charakteryzują następujące wielkości:

- Liczba koordynacyjna (l.k.) Jest to liczba najbliższych i rownoodległych atomow

od dowolnego atomu sieci. Odpowiada ona liczbie wiązań atomu, czyli stanowi

energetyczną miarę trwałości struktury krystalicznej.

- Liczba atomow (l.a.) przypadająca na komorkę zasadniczą. Jest to wielkość

charakteryzująca w pewien sposob wielkość komorki zasadniczej.

- Wypełnienie komorki zasadniczej (w.). Jest to stosunek objętości atomow (kul)

do objętości komorki zasadniczej (bryły), charakteryzujący gęstość atomową struktury

krystalicznej. (wspólczynnik wypełnienia przestrzeni - stosunek objętości sieci przestrzennej zajętej przez atomy do całkowitej objętości)

Im bardziej zwarte ułożenie atomow w sieci przestrzennej kryształu, tym większa liczba

koordynacyjna oraz wspołczynnik wypełnienia przestrzeni.

3. Teoria krystalizacji metali. Wykresy Tammana. Alotropia

i anizotropia.

Proces przejścia ze stanu ciekłego w stan stały , nosi nazwę krystalizacji .

Aby krystalizacja mogła się rozpocząć , procesowi temu musi towarzyszyć zmniejszenie się energii swobodnej układu .

Jest to możliwe wówczas , gdy temp . ciekłego metalu spadnie nieco poniżej temp . krystalizacji ( Ts ) tj. temp . równowagi faz ; ciekłej i stałej .

Temp . w której praktycznie zaczyna się krystalizacja , nazywamy rzeczywistą temp . krystalizacji ( Tp ) .

Natomiast różnicę między teoretyczną , a rzeczywistą temp . krystalizacji nazywamy stopniem przechłodzenia ( p ) .

Zarodkowanie

W procesie krystalizacji wyodrębnia się dwa procesy :

• tworzenie się zarodków krystalizacji ,

• wzrost zarodków .

Obydwa te procesy przebiegają jednocześnie , a ich wynikiem jest utworzenie się kryształów.

Ze względu na warunki pojawiania się zarodków krystalizacji rozróżnia się zarodkowanie homogeniczne i heterogeniczne .

Zarodkowanie homogeniczne

- zarodkami krystalizacji są grupy atomów fazy ciekłej , stanowiące zespoły bliskiego uporządkowania .(Muszą one osiągnąć wielkość krytyczną , co na ogół wymaga dużych przechłodzeń)

Zarodkowanie heterogeniczne

- powstawanie zarodków następuje na powierzchniach fazy stałej stykającej się z cieczą .

Zarodkowanie następuje na powierzchniach ścian naczynia , na drobnych cząstkach stałych zawieszonych w cieczy , jak wtrącenia niemetaliczne , nie rozpuszczone zanieczyszczenia itp .

Zarodkowanie może następować również na warstewce stałych tlenków znajdującej się na powierzchni ciekłego metalu .

W takich warunkach krystalizacja przebiega przy znacznie mniejszym przechłodzeniu niż w przypadku zarodkowania homogenicznego .

Prawa Tammanna

+ 2 wykresy kozackie w zeszycie;]

Dużo zarodków - materiał drobnokrystaliczny

Otrzymywanie pojedynczych kryształów:

Metoda Bridgmana: zaostrzona ampuła, w której w miarę wzrotstu temperatury pojedynczy zarodek się rozrasta (kryształ o masie kilka kg)

Metoda Czochralskiego: igła po dotknięciu do metalu w tyglu wyciąga z niego jeden zarodek

Wzrost fazy stałej

Podczas wzrostu zarodka krystalicznego szybkość nawarstwiania się atomów na poszczególnych ściankach kryształu jest różna i zależy od jego struktury krystalicznej.

Badania w tym zakresie prowadził Bravais , który sformułował następującą regułę :

• szybkość wzrostu ściany kryształu jest odwrotnie proporcjonalna do jej gęstości atomowej .

Kryształy powstające podczas krystalizacji mają zazwyczaj regularny kształt dopóki otoczone są cieczą , później jednak na skutek stykania się z sobą i zrastania ulegają zniekształceniu.

Z tego względu zewnętrzny kształt kryształów metalu, nie jest regularny.

Anizotropia krystalizacji i przechłodzenie uwarunkowane warunkami krzepnięcia doprowadza do tworzenia się zróżnicowanej struktury pierwotnej (rys).

Odlewy z form piaskowych posiadają ziarna poliedryczne , podczas gdy w odlewach z form metalowych dominują ziarna słupkowe.

Należy podkreślić , że ziarna te posiadają identyczną strukturę krystaliczną i różnią się tylko kształtem zewnętrznym .

Krystalizacja wlewka

Proces krystalizacji przebiegający w warunkach rzeczywistych staje się bardziej złożony wskutek wpływu różnych czynników ubocznych .

Na przykład przy odlewaniu dużych wlewków stalowych do wlewnicy, kryształy rosną najszybciej w kierunku prostopadłym do jej ścianek , tj . w kierunku najintensywniejszego doprowadzenia ciepła .

Rozróżnić w nim można trzy główne strefy :

• strefę kryształów zamrożonych,

• strefę kryształów słupkowych ,

• strefę kryształów równoosiowych.

Kryształy zamrożone powstają na skutek nagłego zetknięcia się ciekłego metalu ze ściankami wlewnicy , co powoduje raptowny spadek temperatury , znaczne przechłodzenie i powstanie dużej liczby zarodków .

W rezultacie strefa ta ma strukturę drobnoziarnistą .

W trzeciej strefie tworzą się kryształy równoosiowe , gdyż w środkowej części wlewka nie zaznacza się już określony kierunek odpływu ciepła , a temperatura krzepnącego metalu niemal całkowicie się wyrównuje .

Wzajemne rozmieszczenie wymienionych trzech stref w objętości wlewka ma duże znaczenie praktyczne , gdyż wzdłuż miejsc styku np. stref kryształów słupkowych mogą często powstawać pęknięcia podczas walcowania wlewka .

Schemat struktury wlewka stalowego

a ) l - strefa kryształów zamrożonych ,

2 - strefa kryształów słupkowych ,

3 - strefa kryształów równoosiowych ,

b ) rozkład siarki , c ) przekrój prostopadły do osi wlewka .

ALOTROPIA- niektóre atomy posiadają zdolność do przegrupowania swoich atomów. Zachodzi zmiana budowy komórek sieci krystalograficznej pod wpływem warunków fizycznych, takich jak temp., ciśnienie, itd. (istnieją odmiany alotropowe α i β [żelazo α i β]. Zmiany alotropowe zachodzą w czystych metalach, w stopach się ich nie stwierdza. Powodują zmiany właściwości próbki.

ANIZOTROPIA- różnica we właściwościach w zależności od tego, w jakim kierunku są te właściwości mierzone, np. różnica składu wynika ze wzrostu kryształu, np. tworzenia się dendrytu.

4. Rekrystalizacja. Techniczne znaczenie rekrystalizacji.

Rekrystalizacja jest podstawowym procesem stosowanym do modyfikacji własności materiałow metalicznych po uprzednim odkształceniu plastycznym. To ostatnie

przeprowadzane jest w celu zmiany kształtu ciała, ale powoduje poważną modyfikację

parametrow fizycznych charakteryzujących materiał. Rekrystalizacja prowadzi do drastycznej redukcji gęstości defektow, do powstania regularnych dużych ziaren a także nowej

charakterystycznej tekstury krystalograficznej.

Istotą procesu jest pojawienie się zarodków nowych ziaren w obrębie odkształconej

osnowy (materiału po odkształceniu). Zarodki te szybko rozrastają się, dając początek nowym

ziarnom i pochłaniają otaczający je odkształcony materiał. Nowe ziarna posiadają te samą

strukturę, co stare.

Całość zjawisk zachodzących podczas nagrzewania zgniecionego metalu dzieli się

tradycyjnie na trzy etapy:

a) Zdrowienie i poligonizacja

b) Rekrystalizacja pierwotna

c) Rozrost ziaren

Nie istnieją wyraźne granice pomiędzy poszczegolnymi etapami procesu rekrystalizacji,

przemiany zachodzą w sposob ciągły.

a) Zdrowienie - Przy nagrzaniu metalu do niewysokich temperatur zachodzą procesy

związane ze zmniejszeniem gęstości defektow punktowych oraz gęstości dyslokacji przy

zmianie w ich przestrzennym rozmieszczeniu. Procesy te idą w kierunku zmniejszenia energii

wewnętrznej metalu i uzyskaniu stanu bliższego rownowagi. W wyniku zdrowienia

właściwości mechaniczne metalu zmieniają się jedynie nieznacznie; wytrzymałość

na rozciąganie i twardość nieco się zmniejszają a plastyczność wzrasta; znaczniejszym

zmianą podlegają właściwości chemiczne i fizyczne.

Poligonizacja - proces ten następuje w nieco wyższych temperaturach. Dyslokacje,

ktore w zgniecionym metalu rozmieszczone są w sposob nieuporządkowany ulegają

spiętrzeniu, w ten sposob powstają granice podziaren (blokow) tj. obszarow o nieznacznie

rożniącej się orientacji krystalograficznej. Zjawisko to prowadzi do zmniejszenia energii

wewnętrznej metalu. Jeśli stopień uprzedniego zgniotu nie był wielki, zdrowienie

i poligonizacja mogą wytworzyć strukturę trwałą w nawet dość wysokich temperaturach.

b) Rekrystalizacja pierwotna - Przywrocenie zgniecionemu metalowi prawidłowej

struktury krystalicznej oraz właściwości, ktore on miał przed przerobką plastyczną, następuje

po nagrzaniu go powyżej określonej temperatury, zwanej temperaturą rekrystalizacji. Nagła

zmiana twardości określa właśnie temperaturę rekrystalizacji. W tej temperaturze w miejscu

odkształconych ziaren krystalicznych z zaburzoną siecią przestrzenną powstają nowe ziarna

krystaliczne o prawidłowej strukturze sieciowej.

Kinetyka procesu rekrystalizacji polega, podobnie jak przy innych procesach

krystalizacyjnych, na tworzeniu się zarodkow i ich dalszym rozroście.

c) Rozrost ziaren - zrekrystalizowane ziarna rozrastają się; proces ten przebiega

samorzutnie, w skutek naturalnego dążenia układu do zmniejszania zasobu swej energii

wewnętrznej. Duże ziarna rozrastają się kosztem ziaren drobnych, aż do zupełnego zaniku tych ostatnich - struktura stopow

d) Rekrystalizacja wtórna - niekiedy w czasie nagrzewania w temperaturach znacznie

przewyższających temperaturę rekrystalizacji , zachodzić może anormalny rozrost ziaren.

Polega ona na szybkim rozroście niektorych ziaren kosztem ziaren drobnych. Ziarna wtorne

w krotkim czasie osiągnąć mogą bardzo duże wymiary.

TEMPERATURA REKRYSTALIZACJI ZALEŻY OD:

- stopnia deformacji plastycznej (im większy zgniot, tym temperatura niższa)

- czystości metalu (im czystszy tym niższa)

-wielkości ziaren (im drobniejsze tym niższa)

- czasu trwania nagrzewania (im dłużej tym niższa)

ZMIANA WŁASNOŚCI PO REKRYSTALIZACJI:

Maleją:

- wytrzymałość mechaniczna

- granica plastyczności (chyba plastyczność?)???

- twardość

- udarność

- opor elektryczny

Rosną:

- wydłużenie

- przewężenie

- ciężar właściwy

- odpornośc na okorozję

5. Układy równowagi fazowej (różne rodzaje).

1. ROZTWORY STAŁE CIĄGŁE (np. Ni-Cu)

2. EUTEKTYKA (np. Bi-Cd) (brak rozpuszczalności w stanie stałym)

Układy tego rodzaju tworzą pierwiastki, różniące się znacznie własnościami (wykazujące

duże różnice w promieniach atomowych, krystalizujące w rożnych typach sieci przestrzennej,

różniące się wartościowością). W rzeczywistości jest bardzo mało układów podwójnych, w

których dwa metale nie rozpuszczają się zupełnie w stanie stałym. Najczęściej istnieje,

chociaż bardzo mała rozpuszczalność jednego metalu w drugim, rzędu setnych lub

tysięcznych części procentu.

3. ROZTWORY Z ORGANICZONĄ ROZPUSZCZALNOŚCIĄ W STANIE STAŁYM

Układy takie tworzą pierwiastki, ktore krystalizują w rożnych układach krystalograficznych

lub tych samych układach, lecz rożnią się wielkością atomow więcej niż 15% i przy tym ich

temperatury krzepnięcia są zbliżone.

4. ROZTWORY Z ORGANICZONĄ, ZMIENNĄ ROZPUSZCZALNOŚCIĄ

5. PERYTEKTYKA Z OGRANICZONĄ ROZPUSZCZALNOŚCIĄ

Układy takie tworzą pierwiastki, ktore krystalizują w rożnych układach krystalograficznych

lub tych samych układach, lecz rożnią się wielkością atomow więcej niż 15% i przy tym

rożnią się temperaturą krzepnięcia

6. Stare i nowe sposoby oznaczania stali.

Stale dzielimy na:

- węglowe (konstrukcyjne < 0,8 % wag C, narzędziowe, wysokowęglowe i o szczególnych właściwościach).

- stopowe - poza Fe i C oraz zwykłymi domieszkami (Mn, Si, P, S, Cu) zawierają inne specjalnie wprowadzone składniki (dodatki stopowe) lub podwyższone zawartości Mn i Si, przy czym dodatki te są zawarte w ilościach większych niż wynika to z technologii; (stale konstrukcyjne, narzędziowe i o szczególnych właściwościach); stale stopowe są stosowane zwykle w stanie obrobionym cieplnie; są droższe od węglowych.

Według starych zasad oznaczania stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości

oznaczano przy użyciu symbolu „St” lub „MSt”, następnie podając liczbową wartość

odpowiadającą zawartości węgla w stali (St5 - zawartość węgla 0,5%), natomiast symbol

za cyfrą oznaczał przeznaczenie stali (St3S - spawalna).

Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości oznaczało się podając jedynie liczbę

odpowiadającą zawartości węgla w stali (35 = 0,35% węgla).

Stale narzędziowe oznaczano poprzez podanie symbolu „N”, następnie symbolu

hartowania (NC - głęboko hartująca, NE - płytko hartująca) oraz na końcu podawano cyfrę

odpowiadającą zawartości węgla w stopie (NC6 - 0,6% węgla).

Zasada oznaczania stali stopowych była dokładnie taka sama jak węglowych, tylko, że

po oznaczeniach dodawało się symbole dodatkow stopowych, a za nimi liczbę informującą

o ilości zawartego dodatku w stali (32H2M - 0,32% węgla, 2% chromu, 1% molibdenu).

Nowa metoda polega na podaniu symbolu określającego zastosowanie stali

(S - konstrukcyjne, E - maszynowe itp.) oraz granicy plastyczności stali (S185 - granica

plastyczności Re = 185).

Stale niestopowe o szczegolnych właściwościach (bez automatowych) oznacza się

symbolem „C” i liczbą oznaczającą ilość węgla (C35 - 0,35% węgla) , dodatkowo symbol

„S” na końcu oznacza stal sprężynową (C75S), a „U” narzędziową.

7. Struktura żeliwa. Wykres Greinera i Klingensteina.

Żeliwo - odlewniczy stop żelaza z węglem i innymi dodatkami o zawartości od 2 ÷ 4 % C .

Żeliwa w których stężenia innych pierwiastków przekraczają umowną wartość to żeliwa stopowe .

Struktura grafitu: podłoże + forma wydzieleń grafitu.(od tych aspektów zależą właściwości wytrzymałościowe żeliwa)

GRAFITYZACJA = f (składu chem. i szybkości chłodzenia)

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE = f (podłoże i forma grafitu)

Podział żeliw w zależności od postaci węgla :

- żeliwo szare - grafit ,

- żeliwo białe - Fe₃C lub węgliki ,

- żeliwo połowiczne ( pstre ) - grafit + Fe₃C lub węgliki .

Rodzaje osnowa (podłoży) żeliwa węglowego :

- ferrytyczna ,

- ferrytyczno - perlityczna ,

- perlityczna ,

Formy wydzieleń grafitu:

- żeliwo szare z grafitem płatkowym,

- żeliwo sferoidalne

- żeliwo ciągliwe czarne (z tzw. węglem żarzenia [postrzępione twory grafitu])

Wykres Greinera-Klingensteina:

8. Żeliwo szare. Sposób otrzymywania, właściwości i

zastosowanie.

Żeliwo szare - żeliwo, w ktorym węgiel występuje w postaci grafitu. Nazwa jego

pochodzi od faktu, iż jego przełom ma szary kolor. Uznawane za żeliwo wyższej jakości, żeliwa szare mogą cechować się strukturą osnowy: ferrytyczną, ferrytyczno-perlityczną

oraz perlityczną

Zastosowania:

Wytwarza się z niego odlewy korpusow,

obudow, blokow pomp, sprężarek i silnikow.

Właściwości:

- materiał tani

- łatwo pochłanie drgania

- odporny na ścieranie

- łatwy do smarowania

- niska udarnośc

- trudno skrawalny

- nieodporny na korozję

Otrzymywanie:

Przez powolne chłodzenie (ciekłej formy?)

9. Żeliwo sferoidalne. Sposób otrzymywania, właściwości i

zastosowanie.

Żeliwo sferoidalne - żeliwo szare, w którym grafit występuje w postaci kulkowej, pod postacią sferoidalnych skupień.

Otrzymywanie:

(grafityzacja odsiarczonego wstępnie Mn żeliwa szarego )

Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania żeliwa o tendencji krzepnięcia jako szare, lecz o bardzo małym stężeniu siarki i fosforu

Jego produkcja polega na dwuetapowej modyfikacji:

1) Wprowadza się magnez (ewentualnie 20% Mg+Cu+Ni). Mg powoduje obniżenie

napięcia powierzchniowego, co powoduje, że grafit zwija się w kulki.

2) Następnie wprowadza się FeSi, ktory powoduje rozdrobnienie ziaren.

Właściwości:

- wysoka udarność, plastyczność

- duża wytrzymałość (zbliżona do stali)

- odporne na wysokie ciśnienia

- bardzo źle tłumi drgania

Zastosowanie:

Dzięki swoim własnościom znalazło zastosowanie do wyrobu wałów korbowych silników spalinowych.

10. Rodzaje wyżarzania. Parametry procesu i właściwości stali

po obróbce.

Wyżarzanie- podniesienie temperatury materiału, wygrzanie go w tej temp i ochłodzenie (powolne?). Głównym celem wyżarzania jest usunięcie naprężeń własnych, bez wprowadzania zmian strukturalnych w stali.

Rodzaje:

- Ujednorodnianie - Polega na wygrzaniu stali w b wysokiej temp (1050-1200°C) i następnym ostudzeniu. Celem jest ograniczenie niejednorodności składu chem. Stosowany głównie do wlewków stalowych. Prowadzony w hutach.

- Normalizacja - nagrzanie stali do temp o 30-50 °C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temp i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Celem jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie właściwości mechanicznych stali

- Zupełne - od normalizacji różni się sposobem studzenia. Najpierw powolne w piecu do temp Ac1, a później może być już na powietrzu.

- Steroidyzacja - wielokrotne przerzucenie elementów co kilkanaście/kilkadziesiąt minut, pomiędzy piecem nisko- i wysokotemperaturowym (amplituda +/- 20°C wokół Ac1). Otrzymujemy strukturę cementytu kulkowego, tzw. sferoid w osnowie ferrytu, zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

- Grafityzacja

- Odwęglanie

- Rekrystalizacja - nagrzanie metalu uprzednio odkształconego na zimno do temp wyższej od temp rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temp i chłodzeniu z dowolną szybkością. Usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu. Stosowane podczas walcowania i ciągnienia metali na zimno.

-Odprężanie - nagrzanie stali do temp niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temp i następnym powolnym studzeniu. Celem jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną, prawie nie wprowadza zmian strukturalnych. Zakres temp i czasu wyżarzania jest szeroki, zależy od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia.

1. Ujednoradniające - proces wysokotemperaturowy, prowadzony w hucie. Polega na wygrzaniu stali w b wysokiej temp (1050-1200°C) i następnym ostudzeniu. Celem jest ograniczenie niejednorodności składu chem. Stosowany głównie do wlewków stalowych. Prowadzony w hutach.

2. Normalizacja - stal nadeutektyczna o strukturze ziaren perlitu otoczonych siatką

cementytu, po przekuciu i wyżarzeniu przyjmuje postać kulkowego Fe₃C rozłożonego równomiernie w perlitycznym podłożu. . uzyskując lepsze właściwości mecheniczne

3. Zupełne - od normalizacji różni się sposobem studzenia (wolne, wraz z piecem).

4. Sferoidyzacja - polega na wielokrotnym przerzucaniu elementów co kilkanaście

- kilkudziesięciu min. pomiędzy piecami nisko- i wysokotemp.

(A_c1 Ⴑ20 °C). Proces trudny do przeprowadzenia w stalach podeutektycznych.

Całkowita sferoidyzacja prowadzi do uzyskania podłoża ferrytycznego z Fe₃C

kulkowym. , zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

5. Grafityzujące Fe₃C → 3F + C_grafit

6. Odwęglające - sposobem metalurgicznym nie zawsze da się skutecznie usunąć

węgiel ze stali do niskich zawartości (np. blachy transformatorowe).

Proces prowadzi się w atmosferze utleniającej.

7.Rekrystalizacyjne (międzyoperacyjne) - Usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu. Stosowane podczas walcowania i ciągnienia metali na zimno.

8. Odprężające (niskie) - Celem jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną, prawie nie wprowadza zmian strukturalnych

Parametry procesu: temp. czasu, szybkośc studzenia, atmosfera?

11. Hartowanie. Parametry procesu i właściwości stali po

obróbce.

HARTOWANIE- jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury

30-50 oC powyżej AC3-AC1 wygrzania w tej temperaturze następnym dostatecznie szybkim

oziębieniem, w celu otrzymania struktury martenzytyczniej lub bainitycznej, a przez to

zwiększenia twardości stali.

RODZAJE HARTOWANIA

- Hartowanie stopowe

- Hartowanie izotermiczne na bainit

- Hartowanie miejscowe

- Hartowanie powierzchniowe

Na zabieg hartowania składają się więc kolejno po sobie następujące czynności:

1) Nagrzanie stali do stanu austenitycznego i wygrzanie w tej temperaturze

(austenityzowanie)

2) Szybkie chłodzenie (oziębianie)

PARAMETRY HARTOWANIA

- Temperatura- Wysokość temperatur nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali a zwłaszcza od zawartości węgla.

- Czas wygrzewania- przy hartowaniu musi być dostatecznie długi, aby przemiany fazowe nastąpiły w całym przekroju obrabialnych cieplnie elementów

- Atmosfera CO2/ CO H2O/H2 (nie zachodzi ani nawęglanie ani utlenianie)

- Kąpiel chłodząca-zależy od gatunku stali i wielkości przedmiotu (woda, solanka, olej [stale stopowe] powietrze [metale niskostopowe]) Szybkie chłodzenie przy hartowaniu (oziębienie) ma na celu przechłodzenie austenitu do zakresu przemian temperatur martenztycznej, w którym to zakresie temperatur austenit ulega przemianie na martenzyt. Podstawową zasadą przy doborze ośrodka chłodzącego jest unikanie szybszego niż to konieczne chłodzenia, gdyż ze wzrostem szybkości chłodzenia powstają większe naprężenia i wzrasta w związku z tym tendencja do odkształceń i pęknięć.

- Dodatki- wszystkie dodatki stopowe (za wyjątkiem kobaltu) zwiększają hartowność stali [przesunięcie wykresu CTP w prawo]

HARTOWNOŚĆ- nazywamy zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej podczas hartowania.

Właściwości stali po hartowaniu:

• wysoka wytrzymałość mechaniczna

• niska plastyczność

• rośnie twardość

• rośnie granica plastyczności

12. Nawęglanie. Stale do nawęglania. Parametry i

charakterystyka procesu.

NAWĘGLANIE - wprowadzenie do warstwy wierzchniej stali węgla przez dyfuzję,

(do zaw. 0,8-0,9% wag.), poczym poddanie jej obróbce cieplnej.

Obróbka cieplna ma za zadanie:

1.rozdrobnienie ziarna w rdzeniu,

2. zahartowanie powierzchni (63 HRC, ok. 630 HB) na gł. kilku mm,

3. usunięcie naprężeń (odpuszczanie) w ww, powstałych w wyniku obróbki cieplnej.

2 CO → CO₂ + C↓ r. Buduarda

Miejsca nie przeznaczone do nawęglania pokrywa się szczelnie pastą z azbestu i

szkła wodnego, lub pokrywa elektrolitycznie cienką warstewką miedzi.

Nawęglanie może odbywać się w ośrodkach:

1. stałych (w skrzyniach wypełnionych proszkiem węgla drzewnego i BaCO₃,

szczelnie oblepionych gliną aby do środka nie przedostawał się tlen),

2. ciekłych (roztopione sole np. 75% Na₂CO₃+15% NaCl+10% SiC lub Ca₂C). Do

tygla z roztopioną mieszaniną ładuje się najczęściej drobne elementy.

3. gazowych (w mieszaninie gazów generatorowego i świetlnego - dużo CO i N₂).

W odróżnieniu od dwóch poprzednich proces prowadzi się w najwyższych temp.

Stale do nawęglania: Nawęglaniu poddaje się stale o zawartości węgla 0,2-0,35% C (dodatki stopowe pozwalają obniżyć tę granicę).

Parametry procesu: Temperatura ok. 930 °C/ czas 4-8 godz.

Obecność siatki cementytu na granicach ziaren jest niekorzystna (tzw. łuszczenie

powierzchni podczas eksploatacji).

ZASTOSOWANIE:

w procesach technologicznych, do koł zębatych, wałkow zębatych, wałkow rozrządu,

sworzni tłokowych.

Właściwości po: twarda, odporna na ścieranie powierzchnia z zachowaniem ciągliwego rdzenia

13. Azotowanie. Stale do azotowania. Parametry i

charakterystyka procesu.

AZOTOWANIE - polega na wprowadzeniu przez dyfuzję azotu atomowego do

warstwy wierzchniej stali.

2NH₃ → 6H + 2N↓

Celem azotowania jest:

1. utwardzenie powierzchni - powstają azotki np. glinu, chromu, o dużej twardości

(72 HRC) i odporności na wysoką temp. (800-1000°C),

2. wzrost jej odporności na ścieranie,

3. podwyższenie wytrzymałości zmęczeniowej,

4. uodpornienie na działanie korozji.

Parametry procesu:

Proces prowadzi się zwykle w temp. 480-540 °C (temp. dysocjacji amoniaku), Czas azotowania sięga 40 godz

Czas azotowania sięga 40 godz., gł. zmodyfikowanej warstwy 0,1-0,8 mm, co w

powiązaniu z jej dużą twardością decyduje, że po azotowaniu (w odróżnieniu od

nawęglania, po którym powierzchnię poddaje się szlifowaniu) nie prowadzi się

żadnej obróbki cieplnej ani wiórowej. Elementy przeznaczone do azotowania

wcześniej poddaje się zabiegowi ulepszania cieplnego. Miejsca, które nie mają

być poddane obróbce pokrywa się elektrolitycznie cienką warstewką cyny lub niklu.

Stale do azotowanie:

Stale do azotowania powinny zawierać metale o dużym powinowactwie do azotu

Al, Cr, (Ti lub V), np. 38 HJ, 38 HMJ.

Zastosowanie:

Azotowanie jest metodą droższą od nawęglania, dlatego stosuje się ją do elementów

b. odpowiedzialnych, np. wałów korbowych, cylindrów silników, wrzecion szlifierek,

kół zębatych czy sprawdzianów.

14. Azotonawęglanie. Parametry i charakterystyka procesu.

WĘGLOAZOTOWANIE (CYJANOWANIE) - pierwszy proces odbywa się w gazach,

natomiast drugi w kąpielach solnych.

Węgloazotowanie - 70% gazu nawęglajacego + 30% NH₃

Cyjanowanie - kąpiele solne (NaCN, KCN, Ca(CN)₂, Fe(CN)₃+ sól aktywna, np.

K₄Fe(CN)₆+sole neutralne, np. NaCl czy BaCl₂

Obydwa procesy polegają na jednoczesnym wprowadzeniu do WW węgla i azotu.

Obecność atomowego azotu podczas nawęglania wpływa na podwojenie współcz.

dyfuzji węgla w żelazie. Ponadto, wprowadzenie azotu do WW stali obniża zakres

temp. istnienia austenitu, pozwalając wykorzystać rozpuszczalność węgla w

austenicie w niższych temperaturach (temp. niższe niż w przypadku nawęglania

- nie ma rozrostu ziaren).

Proces prowadzony w temp. ok. 500 °C - efekty zbliżone do azotowania (wnika

więcej azotu niż węgla, dłuższy czas). Czas trwania obróbki kilkanaście minut - kilku godzin. Gł. modyfikacji 0,02-0,15 mm.

Proces prowadzony w temp. ok. 800 °C - efekty, takie jak twardość zbliżone do

nawęglania, ale powierzchnia, dzięki obecności azotu jest czysta i gładka. Czas trwania obróbki kilka minut - godziny.

15. Stopy metali kolorowych (różne rodzaje). Właściwości i

zastosowanie.

Brąz - stop  stopy miedzi z cyną lub innymi metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90% wagowych (stopy miedzi, które nie noszą nazwy "brąz", to mosiądze - stopy miedzi i cynku oraz miedzionikiel - stop miedzi z niklem).

Właściwości: Brązy posiadają dobre własności wytrzymałościowe, są łatwo obrabialne. Brązy wysokostopowe poddają się także hartowaniu. Posiadają dobre właściwości przeciwcierne, są odporne na wysoką temperaturę i korozję

- brązy ołowiowe (cynowo-ołowiowe)

- brązy aluminiowe

- brązy berylowe

- oszczędnościowe brązy berylowe

- brązy kadmowe (styki elektr.)

- brązy manganowe (duży opór elektr.)

Zastosowanie:

Mosiądz - stop miedzi i cynku, zawierający do 40% cynku. Może zawierać dodatki innych metali, takich jak ołów, aluminium, cyna, mangan, żelazo, chrom oraz krzem. Topnieje w temperaturze ok. 1000 °C (zależnie od gatunku).

Właściwości: W normalnych warunkach eksploatacji mosiądz wykazuje dobrą odporność na korozję atmosferyczną i w wodzie. Jednak w miękkiej, zawierającej chlor wodzie mosiądz podlega procesowi odcynkowania. Mosiądz jest także narażony na mechanizm korozji zwany sezonowym pękaniem.

Zastosowanie: Produkcja monet i biżuterii

Aluminium - tworzywa metaliczne otrzymane przez stopienie aluminium z jednym lub większą liczbą metali (bądź z niemetalami), celowo wytworzone dla uzyskania żądanych własności.

Al i jego stopy nie są odporne na zasady, kwasy beztlenowe oraz związki siarki

Właściwości: dobre wł. Plastyczne, dobre przewodnixtwo cieplne i elektryczne, kiepska wytrzymałość (czyste alumimiun

STOPYMAGNEZU

ultralekkie

Zastosowanie:

16. Stopy metali szlachetnych. Właściwości i zastosowanie.

Pt + iryd - jubilerstwo i elektrotechnika

Pt + rod - katalizatory

17. Materiały specjalne (metale z pamięcią kształtu, szkła

metaliczne). Właściwości i zastosowanie.

Szkła metaliczne

Materiały będące produktem przechłodzenia cieczy z pominięciem procesu krystalizacji,

aż do powstania ciała stałego o nieuporządkowanej strukturze atomowej podobnej

do struktury cieczy. Pierwszy materiał tego typu został wyprodukowany w Kalifornii i był to

stop złota z krzemem.

Metody otrzymywania:

1) Metoda natryskiwania ciekłego metalu na nośniku gazu obojętnego na metaliczne podłoże.

2) Napylenie ciekłego metalu na dyspersyjny proszek.

3) Metoda młota i kowadła (krople metalu rozbija się młotem ?).

4) Metoda ciągłego odlewania (leje się na bęben ?).

Materiały dające się zeszklić to stopy metali przejściowych (Fe, Co, Ni, Zn, Nb)

i szlachetnych z 15-30% dodatkiem niemetali (Si, P, B). Struktura nie jest do końca poznana,

zidentyfikowana, przyjmuje się ze jest zbliżona do struktury ciekłego metalu.

Właściwości: - dobre właściwości mechaniczne w temperaturach dużo niższych od

temperatury zeszklenia - szkła metaliczne nie wykazują w tych temperaturach wyraźnej

granicy plastycznej - ferromagnetyki o właściwościach magnetycznie miękkich - duża

odporność na korozję

1. b. dobre wł. mech. w

niskich temperaturach

2. brak wyraźnej gr. plast.

3. ferromagnetyki o wł.

magnetycznie miękkich

4. duża odporność na

korozję.

Zastosowanie: Szkła metaliczne stosowane są w elektronice, energetyce i 
przemyśle lotniczym zastępując dominujące dotychczas materiały 
krystaliczne.

Metale z pamięcią kształtu:

Stopy z pamięcią kształtu są to materiały, w których zachodzi odwracalna, termosprężysta, przemiana martenzytyczna. Powrót elementu do kształtu początkowego, po odkształceniu, następuje w wyniku wyzwolenia naprężeń wewnętrznych podczas przemiany odwrotnej w wyniku nagrzewania lub wskutek zwolnienia naprężenia odkształcającego

Przykłady:

Ni-Ti (nitinol; 49-51% Ni)

Ag-Cd (44-49%Cd)

Au-Cd (46,5-50% Cd)

Cu-Zn-Al (38,5-41,5% Zn)

Cu-Zn-Sn (34,7% Zn; 3,0% Sn)

Cu-Al-Ni (28-29% Al; 3-4,5% Ni)

Cu-Sn (15% Sn)

Ni-Al (36-38% Al)

Zastosowanie:

Materiały te mogą być wykorzystane do produkcji: drutów ortodontycznych, włączników temperaturowych, oprawek okularów, samonitujących się nitów oraz muf łączących rury. Dodatkowo stop NITINOL, charakteryzujący się wysoką odpornością korozyjną i biozgodnością, zaliczany jest do biomateriałów metalicznych nowej generacji i wykorzystywany jest w produkcji wyrobów medycznych m.in.: filtrów żylnych, stentów, klamr ortopedycznych oraz igieł dentystycznych itp

Właściwości:

?? w zależności od stopu jednokierunkowy / dwukierunkowy efekt pamięci kształtu, pseudosprężystość

18. Sposoby otrzymywania nanocząstek metalicznych.

1. Mielenie

Cząstki metalu są przepuszczane przez walec którego rolki wykonane są z twardej stali lub WC. W trakcie tego procesu następuje cykliczne rozkruszanie i zespalanie cząstek w wyniku czego otrzymujemy nanoproszek.

2. Focused ion beam - usunięcie atomów z powierzchni podłoża za pomocą rozpylania przez jony
3. PVD/CVD(PECVD/PEPVD to samo tylo wytwarzanie gazu za pomoca palzmy)
a) PVD - materiał w fazie stałej zostaje przeprowadzony w fazę gazową(podgrzewanie, napierdalanie laserem, obróbka elektroiskrowa, rozpylanie -bombardowanie atomami lub jonami materiału tak żeby oderwało cząstki) i potem jest wpuszczany do zbiornika w którym następuje jego rozprężenie w wyniku czego następuje przesycenie i krystalizuja się bardzo małe aglomeraty czastek, albo pary metali osadzają się na rurce chłodzonej np. ciekłym azotem po czym ich zeskrobanie.

b)CVD - substraty gazowe w wysokich temperaturach osadzają się na podłożu w jakiś sposób
4.MBE

Pozwala na otrzymanie cienkich warstw . Z komórek efuzyjnych wyrzucanye sa wiązki molekularne bądź atomowe które następnie osadzają się na cienkiej (0,5mm) wyciętej z nanokryształu płytce.MBE może zawierać kilka różnych komórek efuzyjcych dzieki czemu mogą powstać materiału o zróżnicowanym składzie poszczególnych warstw.

19. Zastosowanie nanocząstek w technice.

- Absorbowanie promieniowania słonecznego przez ogniwa fotowoltaiczne.

- Ferroelektryczne materiały mniejsze niż 10 nm mogą być stosowane do przechowywania

danych.

- Cząstki tlenku cynku są stosowane jako dodatek do środkow przeciwsłonecznych,

ponieważ pochłaniają promieniowanie słoneczne.

- Dodatek nanocząstek do matryc polimerowych powoduje wzrost trwałości tworzyw

sztucznych oraz ich wytrzymałość mechaniczną.

-Nanocząstki zostały rownież dołączone do włokien tekstylnych w celu stworzenia

inteligentnych i funkcjonalnych ubrań.

- Nanocząstki wykonane z materiału połprzewodnikowego są wykorzystywane

w badaniach biomedycznych jako nośniki lekow i środki obrazowania

.

- Materiały, zawierające nanocząstki metaliczne, stosuje się jako superparamagnetyki,

ciecze magnetyczne, nanokoloidy czy warstwy antymikrobowe. Jednak najistotniejszą

rolę odgrywają w chemii, jako katalizatory wielu przemysłowych procesow chemicznych.

- Nanocząstki złota są nośnikami DNA w procesie jego transfekcji do komorek.

20. Właściwości nanocząstek metalicznych. Metody analityczne.

Materiały nanokrystaliczne charakteryzują się mikrostrukturalną długością i wielkością

ziaren do 100 nm. Materiały o wielkości ziarna 0,1-0,3 mm klasyfikowane są jako materiały

submikronowe. Gdy wielkość ziarna jest poniżej wartości krytycznej (10-20 nm), ponad 50%

(objętościowo) atomow związanych jest z granicami ziaren lub granicami międzyfazowymi.

W tej sytuacji nie mogą powstawać nawarstwienia dyslokacyjne i zależność Hall-Petch

obowiązująca dla konwencjonalnych materiałow gruboziarnistych nie ma już zastosowania.

Materiały nanokrystaliczne wykazują pełzanie i nadplastyczność w niższych

temperaturach niż ich konwencjonalne odpowiedniki mikroziarniste. Ciekawe i czasem

nieoczekiwane właściwości nanocząstek są spowodowane głownie dużą powierzchnią

materiału, ktora dominuje nad małą objętością materiału.

Nanocząstki pochłaniają więcej energii słonecznej niż konwencjonalne materiały.

Nanocząstki mają bardzo wysoki stosunek powierzchni do objętości, co stanowi

ogromną siłę napędową dyfuzji, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze. Spiekanie może

odbywać się w niższych temperaturach, przez krotsze okresy czasu niż dla dużych cząstek.

Duża powierzchnia w stosunku do objętości zmniejsza także zalążek temperatury topnienia

nanocząstek. Cząstki tlenku cynku skutecznie pochłaniają promieniowanie UV.

METODY ANALITYCZNE:

Obserwacja procesow powierzchniowych - technika rentgenowskiej dyfrakcji

proszkowej. Odpowiednia modyfikacja tej techniki, zastosowana do nanoproszkow,

umożliwia rejestrację bardzo subtelnych zmian.

Zasadniczym problemem metodycznym jest interpretacja mierzonych zmian obrazu

dyfrakcyjnego, oddających istotną modyfikację struktury powierzchni nanocząstek.

Rentgenowska Dyfrakcja Proszkowa jest techniką pomiarową, wykazującą pewne analogie

do procesu widzenia przez ludzkie oko. Wiązka promieniowania rentgenowskiego oświetla

badany obiekt i rozprasza się na nim. W przypadku oka soczewka skupia rozproszone

promieniowanie, tworząc na siatkowce obraz przedmiotu. W przypadku rentgenowskich

technik dyfrakcyjnych, ze względu na brak soczewki rentgenowskiej, o strukturze przedmiotu

wnioskujemy na drodze matematycznej, w oparciu o zmierzony rozkład natężenia

promieniowania rozproszonego.

---