Zagadnienia na inżynierie powierzchni

1. Definicja inżynierii powierzchni.

Inżynieria powierzchni jest działem nauki i techniki zajmującym się konstruowaniem,

wytwarzaniem, badaniem i stosowaniem warstw powierzchniowych, a więc warstw

wierzchnich i powłok o innych lepszych niż rdzeń właściwościach antyzmęczeniowych i

dekoracyjnych, ale również optycznych, elektrycznych, magnetycznych, odlewniczych,

katalitycznych i dyfuzyjnych.

2.Definicja tribologii

Tribologia jest działem nauki i techniki zajmującym się zjawiskami zachodzącymi w makro- i mikroobszarach tarcia powierzchni elementów maszyn i urządzeń znajdujących się względem siebie w ruchu lub dążącymi do ruchu oraz związanymi z tymi zagadnieniami praktycznymi czynnikami mającymi wpływ na zużywanie się elementów współpracujących.

3.Definicja warstw powierzchniowych

W inżynierii powierzchni , warstwy wierzchnie i powłoki umownie nazwane zostały

warstwami powierzchniowymi.

1-warstwa wierzchnia, 2-powłoka, 3-rdzeń, 4-powierzchnia pierwotna przedmiotu, 5-powierzchnia po obróbce (końcowa przedmiotu).

4.Definicja warstwy wierzchniej

Warstwa wierzchnia elementu maszyny to zbiór punktów materialnych, zawartych między jego powierzchnią zewnętrzną, a powierzchnią umowna, będącą granicą zmian wartości cech stref podpowierzchniowych powstałych w wyniku wymuszeń zewnętrznych.

5.Definicja powłok

Powłoka jest to warstwa materiału, metalu, stopu, tworzywa sztucznego lub inne, naniesiona trwale na powierzchnie materiału konstrukcyjnego.

6.Metody badania grubości powłok

Metody badania grubości powłok:

• niszczące

o mikroskopowa

o wagowa

o kroplowa

• nieniszczące

o magnetyczne

o elektromagnetyczne

o prądów wirowych

o elektryczne

7.Metody badania szczelności powłok

Obecność w powłokach porów w postaci wąskich kanalików sięgających od powierzchni do podłoża powoduje nieszczelność tych powłok. Wadami zaliczanymi o nieszczelności są pęknięcia i rysy. Nieszczelności w powłokach wpływają na ich właściwości ochronne. Głównymi przyczynami powstawania porów w powłokach są wady powierzchni metalu podłoża oraz obecność na powierzchni zanieczyszczeń w postaci tłuszczu, oleju, piasku, soli, pozostałości środków powierzchni. Metody badania szczelności dzielimy na:

• Chemiczne-polegają na wywołaniu reakcji chemicznych w wyniku których w

miejscach porów lub w otoczeniu powstają barwne produkty korozji. Metody

umożliwiają bezpośredni odczyt na badanej powierzchni lub na bibule.

• Elektrochemiczne- znajdują zastosowanie w badaniu szczelności powłok na drobnych przedmiotach o prostych kształtach. Próbkę odtłuszczoną i wysuszoną o znanej powierzchni zanurza się jako anodę w elektrolicie. Elektrolizę prowadzi się przy odpowiednim napięciu i w stałej temperaturze.

8.Metody badania przyczepności powłok

Badanie braku przyczepności czyli występowania odspojeń metodami ultradźwiękowymi

Przyczepność to siła związania powłoki z podłożem. Przyczepność określa się siłą potrzebną do oderwania badanej powłoki od podłoża. Odbicie i przenikanie fali ultradźwiękowej na granicy powłoki z otoczeniem.

Metody oceny:

o Metoda echa (pomiar od strony powłoki i pomiar od strony podłoża)

o Metoda przepuszczania

o Metoda pogłosu

Metody badania przyczepności:

o Gięcia

o Nawijania

o Nawodorowania

o Piłowania

o Tworzenia rys

o Szlifowania

9.Metody badania odporności na korozje powłok

Polegają na podawaniu specjalnie przygotowanych próbek działaniu środowiska korozyjnego (naturalnego lub sztucznego). Składniki środowiska oddziaływają chemicznie, elektrochemicznie lub mechanicznie na badany element lub próbkę z powłoką.

Metody badań korozyjnych

• Badania laboratoryjne przyspieszone

o w atmosferach kontrolowanych

-- klimatyczne w stałej wilgotności i temp., w zmiennej wilgotności i temperaturze,

-- w wilgotnej atmosferze zawierającej dwutlenek siarki i siarkowodór

o w mgłach roztworu

-- w obojętnej mgle solnej

-- w kwaśnej mgle solnej

-- w kwaśnej mgle solnej z dodatkiem chlorku miedziowego

o w ciekłych roztworach

-- zanurzenie ciągłe

-- zanurzenie przemienne

-- NH4Cl

-- NaCl

o elektrochemiczne

• Badania w naturalnym środowisku

o w warunkach całkowitego odsłonięcia

o w warunkach częściowego odsłonięcia

o w warunkach całkowitego osłonięcia

• Badania w warunkach magazynowania

o bez opakowań

o w opakowaniach

• Badania eksploatacyjne

10.Model warstwy wierzchniej ciała stałego

11.Podstawowa charakterystyka warstwy wierzchniej

Podstawowa charakterystyka warstwy wierzchniej:

• Profilogram prędkości

• Powierzchnia szlifowana

• Skośny zgład

• Nierówność powierzchni

• Kierunkowe odkształcenie ziaren metalu warstwy wierzchniej

• Rozkład naprężeń w warstwie wierzchniej

• Rozkład mikrotwardości w głąb warstwy wierzchniej

12. Podstawowe parametry struktury geometrycznej powierzchni

13.Metoda wyznaczania krzywej nośności powierzchniowej

14. Metody pomiarów mikrotwardości warstw powierzchniowych

* Metoda Vickersa pomiaru mikrotwardości:

W wyniku działania na metal obciążeń zewnętrznych położenie stomów w sieci krystalicznej wykracza poza minimalny poziom energii kinetycznej, zakłócając normalną budowę sieci przez to powoduje pewien stan naprężenia materiału. Po usunięciu obciążenia tylko część atomów zajmuje położenie wyjściowe, a reszta atomów przesuwa się powodując naprężenia własne materiału

* Pomiar mikrotwardości metodą Hanemanna:

Przekrój mikrotwardościomierza Hanemanna: l - wgłębnik, 2 - so­czewka obiektywu, 3 - sprężyny, 4 - ska­la wewnętrzna, 5 - pryzmat, 6 - korpus, 7 - próbka

15. Metody identyfikacji składu fazowego warstw powierzchniowych

16. Metody badania składu chemicznego warstw powierzchniowych

Analiza składu chemicznego metodą spektroskopii elektronów Augera

Jeśli uda nam się wybić elektron to układ jest niestabilny .Elektron jest ściągany na swoje miejsce. Następuje nadwyżka energii, która zostaje usunięta poprzez promienie Rentgena. Wiemy jaki elektron jest wtedy wybity i możemy go zidentyfikować. Energia elektronu jest wizytówka pierwiastka z którego pochodzi. Możemy identyfikować pierwiastki występujące w warstwie wierzchniej. Ilość pierwiastków określamy poprzez pomiar ilości pierwiastków. Zjawisko elektronów Augera jest czułe dla pierwiastków lekkich.

17. Rodzaje naprężeń własnych w warstwach powierzchniowych

Rodzaje naprężeń własnych

Naprężenia własne I rodzaju- nazywane także makronaprężeniami, równoważą się w granicach obszarów o wymiarach porównywalnych z obszarami ciała naprężonego. W warstwach płaskorównoległych naprężenia pierwszego rodzaju są stałe , ale zmieniają się w kierunku prostopadłym do powierzchni

Naprężenia własne II rodzaju- nazywane także mikronaprężeniami, zajmują obszary porównywalne z objętością poszczególnych krystalitów lub grup krystalitów. Istnieją one w pasmach poślizgu i wśród bloków struktury mozaikowej

Naprężenia własne III rodzaju-są zmienne w obszarach submikroskopowych.

Równoważą się one w obszarach niewielkich grup atomów lezących na granicach

bloków struktury mozaikowej w płaszczyznach poślizgu itp.

18. Niszczące metody pomiarów naprężeń własnych

Metody analizy naprężeń własnych

• Badanie stanów naprężeń o charakterze trwałym

o Badanie napr. wł. w elementach maszyn o typowych kształtach geometr.

-- Rury i pręty kołowe,

-- Belki pryzmatyczne

Dla dwóch grup:

- Metody usuwania kolejnych warstw materiału

- Uproszczone metody przecięć

- Metody usuwania warstw

-- Płyty i powłoki

- Metody nawiercania

-- Tarcze

- Metody półtrepanacyjne

o Badanie napr. wł. w elementach maszyn o dowolnych kształtach geometr.

- Metody półtrepanacyjne

- Metody lokalnego odciążenia

- Metody rentgenograficzne

- Metody oparte na penetracji wgłębnika

• Badanie stanów naprężeń zmiennych w czasie

o Metody badań na obiektach rzeczywistych (tensometria, metoda mory)

o Metody modelowe (elastooptyka, metoda mory)

Metody odciążania związanego z usuwaniem warstw:

1.Sachsa1.Andersona1.Waisamana

2.Dawidienkowa 2.Fohlmana2.Philipsa

3.Kalakucki

4.Martensa

5.Heyna

6.Espaya

7.Deniana

8.Alaksandra

19. Nieniszczące metody pomiarów naprężeń własnych

Metoda rentgenowska jest metodą podstawową. Oparta jest na dyfrakcji promieni rentgenowskich. Metoda nieniszczejąca oparta na podstawowych zjawiskach pozwalająca na wyznaczenie naprężeń.

Wzór Bragga 2d = sinβ = nλ

20.Wykorzystywanie szumów Barkhausena do oceny właściwości warstw powierzch.

Materiały ferromagnetyczne posiadają struktury domenowe i elementarne momenty magnetyczne atomów uporządkowują się w kierunku łatwego magnesowania. W każdym ziarnie ferromagnetyka występują domeny. Krzywa histerezy nie jest linią ciągłą tylko zmienia się skokowo. Są to zmiany domen magnetycznych ścian Bloha. Możemy zaobserwować i usłyszeć zmianę indukcji magnetycznej (drobne skoki w niewielkich kawałkach). Wielkość tych skoków (szumów Barkhausena) jest zależna od tego czy dany materiał jest rozciągany czy ściskany. Szumy Barkhausena można wykorzystać do pomiaru naprężeń własnych. Szumy Barkhausena są nie-niszczejąca metodą . Bada w niewielkim obszarze naprężeń.

21. Metody wytwarzania warstw powierzchniowych

-mechaniczne: nagniatanie, napawanie,

-cieplno-mechaniczne:

-cieplne,

-cieplno-mechaniczne,

-elektrochemiczne,

-chemiczne,

-fizyczne,

22. Istota kształtowania warstw powierzchniowych foliami ściernymi

23. Istota powstawania promienia laserowego

Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorbcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej jest spójny (ma taką samą częstotliwość, polaryzację) z fotonem wywołującym emisję. Foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię równą energii wzbudzenia ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem występuje to gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym (inwersja obsadzeń poziomów energetycznych). Uzyskanie takiego nienaturalnego stanu, w którym poziomy o wyższej energii są częściej obsadzone niż poziomy o niższej energii, utrudnia także zjawisko emisji spontanicznej powodujące, że atomy w stanie wzbudzonym pozostają bardzo krótko przechodząc szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne metatrwałe na których elektron pozostaje znacznie dłużej, ale w takiej sytuacji przejście ze stanu podstawowego do wzbudzonego jest też utrudnione, co pokonuje się przez wzbudzanie atomów do poziomów o energii niewiele większej od poziomu metatrwałego Atomy w przejściach bezpromienistych przechodzą do stanu metatrwałego. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz.

24. Rodzaje laserów

W zależności od ośrodka czynnego rozróżniamy:

lasery gazowe atomowe, np. He-Ne,

lasery gazowe molekularne, np. N₂-CO₂-He,

lasery gazowe jonowe

lasery krystaliczne czyli na ciele stałym, np. rubinowy, YAG,

lasery szklane, np. neodymowy,

lasery półprzewodnikowe, np. GaAs-AlGaAs,

lasery barwnikowe, np. z roztworem rodaminy,

lasery chemiczne, np. wykorzystanie reakcji syntezy wzbudzonego HF lub DF dopobudzenia ośrodka czynnego.

25. Podstawowa charakterystyka wiązki laserowej

Podstawowymi cechami światła laserowego są:

• minimalna rozbieżność wiązki, gdyż światło laserowe jest spójne i koherentne;

• monochromatyczność; w laserze rubinowym szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0,01 mm;

• równoległość - w laserach stałych rozbieżność wiązki nie przekracza zwykle 10 miliradianów, natomiast w laserach CO2 utrzymuje się poniżej 2-5 miliradianów;

• duża energia promieniowania.

26. Schemat budowy nagrzewnicy laserowej

27. Cechy wpływające na efekty obróbki laserowej

Cechy wpływające na efekty obróbki laserowej to gęstość mocy i szerokość impulsu.

28. Możliwości technologiczne obróbki laserowej

Zalety wycinania laserem:
- pozwala wyciąć dowolnie skomplikowany kształt elementów;
- zapewnia wysoką precyzje wycinanych elementów;
- cięcie laserowe umożliwia uzyskiwanie krawędzi o bardzo wysokiej jakości;
- maksymalne wykorzystanie arkusza blachy za pomocą modułu optymalizacyjnego;
- idealna powtarzalność kształtów i wymiarów;

29. Istota hartowania i stopowania laserowego

Obróbka laserowa może być dwojakiego rodzaju: hartowanie laserowe i stopowanie. W pierwszym przypadku stosuje się laser o mniejszej gęstości energii, tak aby nie dopuścić do przetopienia materiału a jedynie jego zahartowania. Drugi proces polega na wprowadzeniu do warstwy wierzchniej obrabianego przedmiotu pierwiastków stopowych (np. WC, lub stellit) w czasie topienia powierzchni wiązką laserową. Po zakrzepnięciu tworzy się warstwa o odmiennym składzie chemicznym, strukturze i własnościach.

W zależności od parametrów obróbki uzyskać można znaczne różnice w stanie końcowym materiału, np. ekstremalne naprężenia własne od -400MPa do 700MPa na grubości nawet do 0.4mm i podwyższenie twardości z poziomu 200µH0.3 przed obróbką do 400µH dla stali zwykłej, 600µH dla średniej oraz 800µH dla hartowanej.

30. Fulereny i ich powiązania z obróbką laserową

Fulereny (fullereny)- związki chemiczne składające z kilkudziesięciu, kilkuset a nawet ponad tysiąca atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę, elipsoidę lub rurkę. Własności chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych. Niektórzy uważają, że fulereny są odmianą alotropową węgla.

Do wytworzenia pierwszych fulerenów doszło podczas badań nad klasterami. Powstały one w generatorze klasterów zaprojektowanego przez Smalleya. Generator działał na zasadzie odparowywania węgla w postaci plazmy w temperaturze ponad 104°C z tarczy grafitowej silną wiązką lasera . Następnie plazma kierowania była przez przesłonę strumieniem helu do spektrometru masowego przez odchylenie wiązki za pomocą naładowanych elektrostatycznie płytek . W kanale komory generatora para węglowa. ulegała kondensacji w klastery o różnych rozmiarach.

31. Istota pomiaru przyczepności cienkich warstw metodą zarysowania.

1

---