KOLOKWIUM PNOM CZĘŚC I i II

CZĘŚĆ I

1.Cząstki elementarne materii:

1. leptony - to cząstki elementarne, na które nie wpływają oddziaływania silne. Cząstki te to elektron e^-, mion μ^- i talon τ^- (tau) - podlegające oddziaływaniom elektromagnetycznym i słabym.

2. kwarki - to cząstki elementarne, które nie są trwałe samodzielnie, lecz wchodzą w skład innych cząstek po dwa lun trzy. Rozróżnia się następujące kwarki: u (górny), d (dolny), c (powabny), s (dziwny), t (prawdziwy, wierzchołkowy), b (piękny, denny) i antykwarki np. antygórny, antydziwny. Charakteryzuje je ładunek elektryczny oraz liczby kwantowe zapachu i koloru.

3. elektrony - cząstki elementarne o ładunku elektrycznym -1,6·10^-19 C

4. protony - cząstki elementarne o ładunku elektrycznym +1,6·10^-19C

5. neutrony - cząstki elementarne elektrycznie obojętnie

6. nukleony - kwarki: górny o ładunku +⅔ i dolny o ładunku -⅓ wchodzą w skład nukleonów tj. protonów i neutronów.

2.Porównanie gęstości i wytrzymałości stopów metali i innych materiałów inżynierskich:

3.Wady budowy krystalicznej:

1. wady punktowe budowy krystalicznej:

2. wady liniowe budowy krystalicznej

3. wady powierzchniowe budowy krystalicznej

- granice międzyfazowe można podzielić na:

koherentne połkoherentne niekoherentne

Międzyfazowe granice koherentne (spojne) charakteryzują się dobrym dopasowaniem

sieci sąsiadujących faz, w przeciwieństwie do granic niekoherentnych. Częściowe dopasowanie wykazują granice półkoherentne, cechujące się występowaniem dyslokacji na granicy.

4.Porównanie sieci krystalograficznych A1, A2 i A3:

1. A1 - SIEĆ REGULARNA ŚCIENNIE CENTROWANA:

2. A2 - SIEĆ REGULARNA PRZESTRZENNIE CENTROWANA:

3. A3 - SIEĆ HEKSAGONALNA O GĘSTYM UŁOŻENIU ATOMÓW:

6.Szkło metaliczne:

W szczególnych przypadkach - po zastosowaniu bardzo dużej szybkości

chłodzenia podczas krzepnięcia - metale mogą uzyskiwać strukturę amorficzną,

tj. bezpostaciową. Otrzymane w taki sposób materiały są nazywane szkłami metalicznymi. Szkło metaliczne, tak jak inne ciała amorficzne, ma strukturę pośrednią między

stanem krystalicznym a stanem ciekłym. W szkle metalicznym są uporządkowane

jedynie najbliżej sąsiadujące ze sobą atomy. Nie występuje natomiast wówczas

pełne prawidłowe rozmieszczenie przestrzenne wszystkich atomów, charakterystyczne

dla kryształów. Szkła metaliczne cechują się więc własnościami rożnymi od

kryształów metali, nie wykazując wszystkich cech dla nich charakterystycznych.

7.Dwuskładnikowe układy równowagi fazowej:

a) dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o zupełnej rozpuszczalności składników w stanie stałym:

b) dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o całkowitym braku

rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką:

c) dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o ograniczonej

rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką:

d) dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o ograniczonej

rozpuszczalności składników w stanie stałym z perytektyką:

e) dwuskładnikowe układy równowagi fazowej o ograniczonej

zmiennej rozpuszczalności składników w stanie stałym:

f) dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o ograniczonej

rozpuszczalności składników w stanie ciekłym z monotektyką:

8.Układ równowagi fazowej żelazo-węgiel:

• Ferryt roztwór stały graniczny węgla w żelazie (α)

• Austenit roztwór stały graniczny węgla w żelazie (γ)

• Perlit mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, zawierająca 0,77% C, występująca poniżej 727°C

• Ledeburyt mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu, zawierająca 4,30% C, trwała w zakresie od 727 do 1148°C

• Ledeburyt przemieniony - mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu z ledeburytu w perlit, trwała poniżej temperatury 727°C

• Cementyt - węglik złożony Fe3C
  
  

9.Wiązania między atomami:

• wiązania jonowe - gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny, powstaje wiązanie jonowe

• wiązania atomowe (kowalencyjne) - w przypadku atomów pierwiastków elektroujemnych -zwykle gazów - elektrony walencyjne pierwotnie rożnych atomów tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów. Wiązania tworzone przez takie uwspólnione elektrony są nazywane atomowymi czyli kowalencyjnymi. Wiązania atomowe, poza gazami, występują także w substancjach stałych, takich jak np. Si, Ge i diament.

• wiązania metaliczne - wiązanie metaliczne występuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu się na wystarczająco małą odległość, charakterystyczną dla stałego stanu skupienia, oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów. Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi (jonami dodatnimi), tworząc tzw. gaz elektronowy, charakterystyczny dla wiązania metalicznego. Wiązanie metaliczne nie ma charakteru kierunkowego, jak pozostałe rodzaje wiązań. Rdzenie atomowe na skutek elektrostatycznego oddziaływania elektronów swobodnych dążą do jak najgęstszego wypełnienia przestrzeni.

10.Historyczne znaczenie materiałów:

11.Zakaz Pauliego:

W jednym atomie nie może być dwóch elektronów o identycznej kombinacji liczb kwantowych. Tak brzmi podstawowe prawo w mechanice kwantowej - zakaz Pauliego. Maksymalna liczba stanów energetycznych w danej powłoce elektronowej wynosi 2n². W podpowłoce określonej liczbą l liczba stanów energetycznych jest równa 2·(2l+1). Każdej podpowłoce l odpowiada 2l+1 wartości ml, a każdej liczbie ml dwie wartości ms = ±½.

Część II

1.Obróbka plastyczna na gorąco:

Pełzanie dyslokacyjne- Mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu dla obróbki plastycznej na gorąco jest pełzanie dyslokacyjne. W procesie tym w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie, usuwające częściowo lub niemal całkowicie skutki umocnienia zgniotowego:

• zdrowienie dynamiczne

• rekrystalizacja dynamiczna.

Rekrystalizacja statyczna- Rekrystalizacja statyczna jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania powyżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno i polega na powstawaniu i migracji szerokokątowych granic ziaren. Do zainicjowania rekrystalizacji w czasie wyżarzania metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno niezbędny jest pewien minimalny stopień odkształcenia, zwany gniotem krytycznym. Po odkształceniu ze stopniem gniotu mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie występuje. Rekrystalizacja zachodzi przez:

• Zarodkowanie

• wzrost ziarn.

Zdrowienie dynamiczne -zjawisko zachodzące podczas odkształcenia plastycznego na gorąco. W odróżnieniu od wspinania dyslokacji, poślizg poprzeczny nie ulega ograniczeniu w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji. Dlatego podczas odkształcenia plastycznego na zimno może przebiegać również zdrowienie dynamiczne, chociaż w ograniczonym stopniu.

Rekrystalizacja dynamiczna- W przypadku znacznego odkształcenia plastycznego na gorąco, zwłaszcza w metalach o małej energii błędu ułożenia, przebiega rekrystalizacja dynamiczna. Rekrystalizacja ta zachodzi w czasie samego odkształcenia plastycznego w chwili, gdy nawet lokalnie stopień gniotu przekroczy wartość krytyczną ε_krd. Wartość ta zależy od temperatury i szybkości odkształcenia, składu chemicznego stopu oraz przeprowadzonej poprzednio obróbki cieplnej i mechanicznej. Nowe ziarna utworzone w wyniku przejścia frontu rekrystalizacji dynamicznej nasycają się ponownie dyslokacjami w następnym etapie odkształcenia dynamiczna.

2. Mechanizmy odkształcenia plastycznego; Odkształcenia plastyczne metali na zimno.

Do mechanizmów odkształcenia plastycznego należą:

• Poślizg dyslokacyjny

• Bliźniakowanie

• Pełzanie dyslokacyjne

• Pełzanie dyfuzyjne

• Poślizg po granicach ziarn

Poślizg dyslokacyjny- podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali jest poślizg. Polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje. Przemieszczanie się dyslokacji podczas poślizgu odbywa się w określonych systemach poślizgu, tzn. w płaszczyznach poślizgu i kierunkach poślizgu. Płaszczyznami i kierunkami poślizgu są najczęściej płaszczyzny sieciowe i kierunki o najgęstszym ułożeniu atomów.

Bliźniakowanie- polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania (rys. 4.23). Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób, że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane).

Pełzanie dyfuzyjne- Pełzanie dyfuzyjne zachodzi w temperaturze homologicznej większej od 0,6 w warunkach niehydrostatycznego stanu naprężeń. Wówczas wskutek oddziaływania składowej normalnej naprężeń występują lokalne różnice potencjału 4.5. chemicznego wakansów wyrównujące się podczas pełzania dyfuzyjnego.

Zgniot- Stan strukturalny spowodowany odkształceniem plastycznym na zimno jest nazywany zgniotem. Znaczne odkształcenie plastyczne powoduje uprzywilejowaną orientację krystalograficzną ziarn względem kierunku i płaszczyzny obróbki plastycznej, zwaną teksturą zgniotu. Tekstura zgniotu decyduje o anizotropii własności mechanicznych i fizycznych metali obrobionych plastycznie na zimno.

Zdrowienie statyczne- Zdrowienie statyczne jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno. Proces ten jest związany ze zmniejszeniem stężenia defektów punktowych, gęstości dyslokacji oraz zmianami w ich przestrzennym rozmieszczeniu. Podczas zdrowienia następuje dyfuzja i anihilacja (likwidowanie) defektów punktowych, poślizg i wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji różnoimiennych, kurczenie się i zanik pętli dyslokacyjnych.

3. Nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie

Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą:

• Nagrzewanie

• Wygrzewanie

• Chłodzenie

Nagrzewanie- Jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie.

Wygrzewanie- polega na wytrzymywaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze

.

Chłodzenie- to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast z dużą- oziębianiem.

4. Przemiany metali podczas chłodzenia

W stali nagrzanej do temperatury austenityzowania, podczas wolnego chłodzenia zachodzą przemiany zgodnie z wykresem równowagi faz żelazo-cementyt. Znacznie większe szybkości chłodzenia stosowane w praktyce powodują przesunięcie przemian do niższej temperatury. W czasie chłodzenia austenitu, w zależności od szybkości chłodzenia i temperatury przechłodzenia, mogą zachodzić przemiany:

• Martenzytyczna

• Bainityczna

• Perlityczna

Przemiana martenzytyczna- Przemiana bezdyfuzyjna zachodząca przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury M_s, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200 ^oC, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α

Przemiana bainityczna- Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450÷200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików.

Przemiana perlityczna- Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ar₁. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu.

5. Austenit szczątkowy

Objętość właściwa martenzytu jest o ok. 3% większa od objętości właściwej austenitu, w wyniku czego w nieprzemienionym austenicie powstają silne naprężenia ściskające, hamujące lub całkowicie zatrzymujące dalszą przemianę. Przemiana nie przebiegawięc w całej objętości i dlatego po jej zakończeniu w strukturze stali pozostaje pewna ilość austenitu, zwanego austenitem szczątkowym.

6. Mechanizmy wzrostu kryształów

Wzrost zarodka krystalizacji następuje z różną szybkością na poszczególnych ścianach w zależności od struktury krystalicznej zarodka. Najszybciej wzrastają ściany luźno wypełnione atomami, wolniej - o gęstym ułożeniu atomów. Wzrost następuje przez przyłączanie się atomów lub ich zespołów do ścian zarodka w miejscu utworzenia się schodka.

7. Zarodkowanie homo i heterogeniczne

Zarodkowanie homogeniczne- zachodzi w cieczy metalicznej całkowicie jednorodnej, a w jego wyniku powstaje zupełnie jednorodna faza stała. Zarodki w kształcie kul, utworzone w dowolnych miejscach w całej objętości cieczy z zespołów bliskiego uporządkowania, osiągają promień krytyczny R^* przy znacznym przechłodzeniu, czyli znacznym obniżeniu temperatury poniżej temperatury równowagi T_R. Szybkość zarodkowania jest bardzo mała, po czym zwiększa się dopóty, dopóki przechłodzenie nie osiągnie wartości krytycznej, by następnie gwałtownie się zmniejszyć.

Zarodkowanie heterogeniczne- polega na tworzeniu zarodka na obcym podłożu o stanie stałym. Funkcję podłoża spełniają ściany formy odlewniczej i cząstki wysokotopliwych zanieczyszczeń znajdujące się w stanie stałym w cieczy metalicznej. Zarodek podkrytyczny, powstający na płaszczyźnie podłoża, ma kształt kulistej czaszy.

8. Wykresy izotermiczne

Na wykresach izotermicznych są podawane linie początku i końca przemiany austenitu w perlit, bainit i martenzyt w zależności od czasu τ przy stałej temperaturze przemiany t.

Schematyczne wykresy przemian austenitu przechłodzonego stali węglowej podeutektoidalnej

a) CTPi przy chłodzeniu izotermicznym, b) CTPc przy chłodzeniu ciągłym;

γ - austenit, α - ferryt, P - perlit, B - bainit, M - martenzyt

11

wakanse - wolne węzły w sieci krystalicznej, powodują wokół nich kontrakcję

wolne węzły - atomy opuszczają węzły sieci na skutek drgań cieplnych, powodują ekspansje sieci.

dyslokacja krawędziowa - dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź ekstrapłaszczyzny, tj. półpłaszczyzny

sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu

o budowie prawidłowej. W zależności od położenia dodatkowej

półpłaszczyzny dyslokacje mogą być dodatnie lub ujemne. Wokół dyslokacji krawędziowej występuje jednocześnie

postaciowe i objętościowe odkształcenie kryształu.

dyslokacja śrubowa - dyslokacja śrubowa to defekt liniowy

struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem

części kryształu wokół osi,

zwanej linią dyslokacji śrubowej,

wektor Burgersa dyslokacji śrubowej jest

równoległy do jej linii.

dyslokacja mieszana - to połączenie dyslokacji krawędziowej i śrubowej

OPIS:

- 14 rdzeni atomowych (8 z nich znajduje się na narożach a 6 w geometrycznych środkach ścian bocznych sześcianu)

- liczba koordynacyjna dla atomów

sieci A1 wynosi 12

- liczba rdzeni atomowych

przypadających na jedną komórkę

sieciową wynosi 4

OPIS:

- 9 rdzeni atomowych (8 z nich znajduje się na narożach sześcianu a 1 w jego geometrycznym środku)

- liczba koordynacyjna dla atomów

sieci A2 wynosi 8

- liczba rdzeni atomowych

przypadających na jedną komórkę

sieciową wynosi 2

OPIS:

- 17 rdzeni atomowych (12 z nich znajduje się na narożach prostopadłościanu o podstawie sześciokąta foremnego, 2 w środkach geometrycznych podstaw, a 3 pozostałe są usytuowane symetrycznie

we wnętrzu elementarnej komórki sieciowe)

- liczba koordynacyjna dla atomów

sieci A3 wynosi 12

- liczba rdzeni atomowych

przypadających na jedną komórkę

sieciową wynosi 2

---