1.Wiązania pierwotne
1a wiązanie kowalencyjne - powstaje miedzy atomami gdzie powłoka walencyjna jest zapełniona przynajmniej w połowie, największa sztywność wiązania, występuje w diamencie oraz w większości materiałów ceramicznych które są bardzo twarde ale i kruche
1b. wiązanie jonowe- wiązanie to powstaje najczęściej między metalami a niemetalami i powstaje miedzy atomami z których jeden z nich ma niewielka liczbę elektronów i oddaje je drugiemu, który ma powłokę walencyjną całkowicie zapełnioną
1c. wiązanie metaliczne- powstaje między atomami metalu w stanie stałym, spójność metalu utrzymywana jest przez siły przyciągające między jonami dodatnimi i elektronami.
2Wiązania wtórne
2a. wiąznie van der Waalsa - dipolowe przyciąganie pomiędzy atomami lub cząsteczkami obojętnymi eletrycznie, niesymetryczny rozkład elektronów w przestrzeni względem jądra. Siły van der Waalsa są stosunkowo słabe, występują w polimerach jako połączenie miedzy łańcuchami
2b. wiązania wodorowe- polega na oddaniu przez atom wodoru jedynego elektronu najbliższemu atomowi tlenu, charakterystyczne dla H2O w temp pokojowej, wyst tez w niektórych polimerach dzięki czemu są ciałami stałymi
3.Struktury sieci krystalicznej
Wiązania metaliczne: niekierunkowe, szeroki zakres energii wiązania metalicznego, gaz elektronów
Ciało stałe: krystaliczne, amorficzne[bezpostaciowe]
Kryształ- ciało stałe o okresowo powtarzających się w trzech wymiarach rozmieszczeniu atomów, jonów lub cząsteczek
Dwa sposoby ułożenia warstw atomowych: ABAB, ABC
Metal krystalizuje w takim układzie, który zapewnia mu najmniejszą energię wewnętrzną
SIECI:
-sieć przestrzenna [A1(RSC regularna ściennie centrowana np. Zn, Mg, Be,Au,Cu, Pb, Al.,Ag) A2 (RPC regularna przestrzennie centrowana) A3 (HZ heksagonalna zwarta np.,W, Cr,Mo,V, Feα)]
Liczba koordynacyjna - określa liczbę najbliższych i równoległych atomów od dowolnego atomu sieci „liczba najbliższych sąsiadów” RPC-8 HZ-12 RSC-12
Liczba atomów przypadająca na komórkę elementarna RPC-2 HZ-12 RSC-4
Wypełnienie komórki elementarnej - stosunek objętości atomów do objętości komórki zasadniczej, gęstość atomowa struktury krystalicznej RPC-68% HZ-74% RSC-74%
4.Polimorfizm
Substancje, również metale, zależne od temperatury i ciśnienia występują w róznych odmianach krystalicznych. Prawo stałości- substancje ( o tych samych właściwościach i składzie chemicznym) mają zawsze ten sam typ sieci niezależnie od pochodzenia czy sposobu otrzymywania. Prawo polimorfii- substancje o tym samym składzie chemicznym ale różnym fizycznym mają odmienne typy sieci krystalicznych.
5.Anizotropia
Zmiana właściwości kryształu w zależności od kierunku krystalograficznego wiąże się z różną gęstością ułożenia atomów we wszystkich płaszczyznach i kierunkach sieci krystalicznej. Typowe właściwości: wytrzymałość, sztywność, sprężystość, twardość i wydłużenie.
6.Defekty sieci krystalicznej
Defekty mają istoty wpływ na właściwości fizyczne i mechaniczne metali: nie można ich uniknąć, ale wywołujemy je celowo przez tworzenie stopów, obróbkę cieplną, techniki wytwarzania, aby otrzymać określone właściwości materiału. Siła napędowa- przechłodzenie cieczy. Zetknięcie dwóch sąsiadujących kryształów tworzy granice ziaren.
Granica ziaren-powierzchniowe defekty, oddzielają obszary materiału o tej samej strukturze krystalograficznej i składzie chemicznym [ szerokokątowe >15º, wąskokątowe<15º]
Granice międzyfazowe - w ziarnie obszary o różnej strukturze krystalograficznej i/lub składzie chemicznym
DEFEKTY PUNKTOWE- niewielkie wymiary, wynik drgań cieplnych.
Wakans- najprostszy defekt punktowy, brak atomu w więźle sieci krystalicznej, zniekształcenie sieci krystalicznej i pojawienie pola naprężeń rozciągających, liczba wakansów jest zależna od temperatury. Wakansy odpowiedzialne są za dyfuzje w ciele stałym
Defekty punktowe tworzą również obce atomy które powodują zniekształcenie sieci krystalicznej i powstanie naprężeń ściskających lub rozciągających.
DEFEKTY LINIOWE- powstają w procesie krzepnięcia, a także podczas obróbki plastycznej. Wyróżniamy dyslokacje krawędziową, śrubową i mieszaną.
Dyslokacja krawędziowa- utworzenie dodatkowej półpłaszczyzny, wektor Burgersa[miara zaburzenia], dyslokacje krawędziowe dodatnie kiedy dodatkowa płaszczyzna jest nad płaszczyzną poślizgu i ujemna kiedy jest pod. Dyslokacje jednoimienne odpychają się a różnoimienne przyciągają. Dyslokacje przemieszczają się po płaszczyźnie oraz w kierunku krystalograficznym najgęstszego ułożenia atomów. System łatwego poślizgu co wpływa na właściwości plastyczne metali [ ruch dyslokacji powoduje odkształcenie plastyczne]
Dyslokacja śrubowa - przesunięcie jednej części kryształu względem drugiej o jedną odległość międzyatomową, w wyniku czego płaszczyzny atomowe prostopadłe do linii śrubowej tworzą powierzchnię śrubową - oś dyslokacji, mogą przemieszczać się tylko przez poślizg. Dyslokacje mieszane - występują najczęściej. Dyslokacje wytwarzają wokół siebie pola naprężeń rozciągające lub ściskające. Dyslokacje poruszając się napotykają na swojej drodze wiele przeszkód, które utrudniają ich ruch.
Struktura stopów metali: czyste metale, jednorodne roztwory stałe, fazy międzywęzłowe, międzymetaliczne i o złożonej strukturze.
7. Proces krystalizacji
Budowa polikrystaliczna- złożenie z bardzo wielu kryształów zorientowanych pod różnymi kątami i oddzielonymi od siebie granicami ziaren.
1.w cieczy uporządkowanie atomów [ zarodki krystalizacji- musza mieć krytyczna wielkość do dalszego wzrostu] - etap zarodkowania
2.zwiększenie objętości fazy stałej przez przyłączenie do niej atomów z cieczy-etap wzrostu.
Zarodkowanie homogeniczne wymaga dużych przechłodzeń , w ciekłych metalach na ogół występują zbyt małe przechłodzenia. Jedynie metal rozdrobniony na bardzo małe krople można silnie przechłodzić, ponadto w czystych metalach zarodki i ciecz mają jednakowy skład chemiczny. W stopach jest inaczej, ponieważ w danej temperaturze zarodniki i roztwór ciekły różnią się znacznie składem.
W przypadku zarodkowania heterogenicznego, 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.
8.Właściwości mechaniczne mk
8a.Gestosc-stosunek masy do objętości, zależna od rodzaju atomów oraz ich rozmieszczenia
8b.Sztywnosc-odporność materiału na zmianę wymiarów(kształtu)w obszarze odkształceń sprężystych. Licza Poissona- (- odkształcenie poprzeczne/odkształcenie wzdłużne) określa zachowanie podczas rozciągania. Moduł Younga- moduł sprężystości wzdłużnej. Prawo Hooke'a- dla wielu materiałów odkształcenia sprężyste sa proporcjonalne do naprężenia.
8c Wytrzymałoś
Wytrzymałoś statyczna-wyraża naprężenie, po przekroczeniu którego materiał odkształca się plastycznie lub pęka. Norma PN-EN 10002-1. Umowna granica plastyczności jest miarą wytrzymałości statycznej[0,2%]. Górna granica plastyczności - naprężenie rozciągające, przy którym zachodzi nagłe wydłużenie próbki oraz spadek naprężenia. Dolna granica plastyczności- minimalne naprężenie występujące po przekroczeniu górnej granicy plastyczności.
Wytrzymałość zmęczeniowa- odporność materiału na działanie obciążen zmiennyc, istota zmeczenia jest doprowadzenie do zniszczenia wskutek mikropęknięć już istniejących w materiale lub utworzenia mikropęknięć gdy maks. naprężenie nie przekracza granicy plastyczności.
8d Twardość-oznaczana literą H, cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności na odkształcenie plastyczne pod wpływem zewnętrznego nacisku sił skupionych na działających na jego powierzchnię. Metoda Rockwella - do stali hartowanych, głębokość odcisku dokonana wzorowym stożkiem diamentowym. Metoda Brinella- wciskanie w próbkę metalu kulki ze stali hartowanej lub węglików spiekanych[HB]. Metoda Vickersa- diamentowy ostrosłup o kwadratowej powierzchni. Do gum i elastomerów[polimerowe tworzywa] :Metoda IRHD. Metoda Shore'a- łatwość z jaka iglica zagłębia się w próbkę.
8e Wiązkość- odporność materiału na rozprzestrzenianie się w nim istniejących lub też powstałych w czasie eksploatacji mikropęknięć.
Wiązkość - wartość energii wymaganej do utworzenia pęknięcia o powierzchni jednostkowej. Materiały charakteryzujące się wysoką odpornością na nagłe pękania mają zdolność plastycznego odkształcenia oraz pochłaniają dużo energii, propagacja pęknięcia zachodzi trudno. Materiały o wysokich właściwościach wytrzymałościowych posiadają niską odporność na pękanie.
8f Kruchość - przeciwność wiązkości, stosunek wytrzymałości na rozciąganie do wytrzymałości na ściskanie. Jeśli wartość kruchości jest <1/8 to mamy do czynienia z materiałem kruchym, które po przekroczeniu pewnej wartości naprężenia ulęgają zniszczeniu. Ścieralność-podatność materiału na ścieranie. Zużywanie: adhezyjne, ścierne, zmęczeniowe, erozyjne, chemiczne i cieplne. Pełzanie materiałów- zjawisko ciągłego plastycznego odkształcania się materiału znajdującego się pod stałym obciążeniem.
9.Metody umacniania materiałów plastycznych
Wytrzymałość i twardość materiału metali można zwiększyć przez: usunięcie defektów struktury krystalicznej, zwiększenie oporu ruchu dyslokacji przez wytworzenie odpowiednich przeszkód
Umocnienie roztworowe(przez tworzenie roztworu)-pierwiastki rozpuszczone stają się przeszkodami. Jest wynikiem blokowania dyslokacji[atomy rozpuszczone tworzą skupiska wokół rdzeni dyslokacji i je blokuja]
Umocnienie wydzielinowe i dyspersyjne- wytworzeni w ziarnach cząstek o odmiennej strukturze krystalograficznej niż osonowa. Stopień umocnienia zależy od składu chemicznego cząstki, ich wielkości, gęstości i rozmieszczenia. Wydzielinowe[cząstki powstają w wyniku obróbki cieplnej(przesycanie i starzenie) dyspersyjne [cząstki wprowadzone są z zewnątrz w postaci dyspersyjnych cząstek]. Wysoki moduł sprężystości i duża twardość. Przecinanie cząstek lub ich omijanie z tworzeniem pętli dyslokacji
Umocnienie przez rozdrobnienie ziaren-przeszkodami dla ruch ziaren są granice ziaren na których zachodzi spiętrzenie i kotwiczenie dyslokacji. Im drobniejsze ziarno tym większy jest efekt umocnienia stopu i wyższe właściwości wytrzymałościowe i mniejsze plastyczne. Odkształcenie plastyczne- nie przebiega równomiernie we wszystkich ziarnach
Umocnienie odkształceniowe- pod wpływem naprężeń zewnętrznych wzrasta w materiale gęstość dyslokacji. Dyslokacje zaczynają się nawzajem blokować przy wzrastającej gęstości co prowadzi do zwiększenia naprężenia statycznego. Uzyskiwane jest w temp niższych od temp rekrystalizacji -> obróbka plastyczna na zimno.
Zdrowienie i rekrystalizacja.
Zdrowienie- pierwszy etap powrotu materiału do stanu równowagi. Realizowana jest poniżej temperatury rekrystalizacji. Jeden z etapów przemian zachodzących przy nagrzewaniu lub wygrzewaniu wcześniej odkształconego plastycznie materiału w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji. Zdrowienie objawia się zmniejszeniem koncentracji defektów punktowych w wyniku ich anihilacji i dyfuzji.
Rekrystalizacja- Polega na usuwaniu nadmiaru energii wprowadzonej do kryształu przez odkształcenie plastyczne. Jest procesem konkurencyjnym i dużo bardziej efektywnym od zdrowienia.
Rekrystalizacja pierwotna prowadzi do stopniowego powstawania nowych ziaren. Z reguły subziarna mają granice wąskokątowe, które nie mogą się poruszać, ale subziarna których jedna z granic jest fragmentem szerokokątowej granicy ziarna pierwotnego mogą stać się zarodkami nowych ziaren. Podczas przemieszczania się granic szerokątowych w materiale tworzy się nowa, prawie nie zaburzona struktura, a procesowi temu towarzyszy wydzielanie się z materiału energii zmagazynowanej. Proces ten trwa do momentu aż w całym uprzednio odkształconym materiale powstaną nowe ziarna. Proces rekrystalizacji wtórnej zachodzi w temperaturach znacznie wyższych niż rekrystalizacja pierwotna.
Rozrost ziaren-zachodzi bezpośrednio po rekrystalizacji pierwotnej, siła napędowa - zmniejszenie energii powierzchniowej granic ziaren. Zjawisko niekorzystne i należy go unikać.
10. Układ równowagi fazowej
Fazy Gibbsa - w danym układnie liczba stopni swobody jest równa liczbie składników niezależnych pomniejszonej o liczbę faz plus dwa. Zależność obowiązująca dla każdego układu będącego w równowadze termodynamicznej, łącząca liczbę faz w układzie, liczbę składników niezależnych oraz liczbę stopni swobody[niezależne czynniki np. temp]
Punkt potrójny, linie równowagi fazowej, powierzchnie na diagramie
Dwuskładnikowe układy równowagi - proces krystalizacji może przebiegać w stałej temp lub w pewnym zakresie temp. Jeśli S=0 uklad niezmienny, S=1 układ jednoimienny, S=2 układ dwuzmienny. Punkty początku krystalizacji tworzą linię likwidus , natomiast końca solidus. Obszar pomiędzy nimi to obszar równowagi fazowej współistnienia roztworu ciekłego i stałego. Etapy krzepnięcia. Przemiana w której z fazy ciekłej powstają jednoczeście dwie fazy stałe nazywa się przemianą eutektyczną. Skład chemiczny stopu. Liczba i rodzaj faz. Udział wagowy faz.
Przemiany fazowe zachodzą gdy: występuje zmiana rozpuszczalności składników w roztworze, roztwór stały jest trwały w danej temp i ulega rozkładowi podczas chłodzenia/grzania, składniki stopu mają odmiany alotropowe
Mechanizm przemian fazowych: dyfuzyjny i bezdyfuzyjny. Dyfuzja- proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek. Polega też na przemieszczaniu rdzeni atomowych w strukturze materiału.
Współczynnik dyfuzji- współczynnik określa zdolność dyfundowania cząsteczek pod wpływem gradientu stężenia. Współczynnik dyfuzji rośnie wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że w wyższych temperaturach proces dyfuzji zachodzi łatwiej, a w niskich jest pomijalnie mały.
Przemieszczanie się różnych obcych atomów albo ruchu dyslokacji (m.in w głąb jakiegoś materiału) występują najszybciej na granicy ziaren i to właśnie granice ziaren są tymi drogami szybkiej dyfuzji
11.Ukłąd równowagi żelazo - węgiel
Przemiana alotropowa-przemiana jednej struktury krystalograficznej na inną
Przemiana eutektoidalna- udział biorą 3 fazy. Faza stała przemienia się jednocześnie w dwie fazy inne fazy stałe.
Przemiana perytektoidalna w czasie chłodzenia, dwie fazy stałe reagują ze sobą i powstaje jedna nowa faza stała
Przemiana perlityczna-przemiana dyfuzyjna, która składa się z etapu zarodkowania i wzrostu dyfuzyjnego nowej fazy. fazowa przemiana termiczna austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia (poniżej temperatury 723°C) nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej.
Przemiana bainityczna- fazowa przemiana termiczna w bainit, pośrednia między przemianą perlityczną a przemianą martenzytyczną, polegająca na przechłodzeniu austenitu do temperatury z zakresu 500-300°C, w której nie zachodzi już dyfuzja pierwiastków metalicznych, zachodzi zaś jeszcze dyfuzja węgla.
Przemiana martenzytyczna w metaloznawstwie izotermiczna przemiana austenitu w martenzyt zachodząca w wyniku gwałtownego chłodzenia nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej (hartowanie).
Składniki fazowe układu
Ferryt roztwór stały węgla w żelazie α. Ferryt jest strukturą niemalże czystego żelaza (zawartość węgla do 0,03 %), powstaje w skutek rozpadu austenitu podczas studzenia stopu. Ferryt jest składnikiem strukturalnym stali i żeliw. Składnik miękki, niewielka wytrzymałość i znaczne wydłużenie. RPC
Austenit roztwór stały węgla w γ-żelazie, zawierający nie więcej niż 1,7% węgla. Występuje w zakresie temperatur 710-1535οC. Składnik stopowy stali i stopowych żeliw. Jest paramagnetyczny, plastyczny, ma twardość ok. 200 HB.RSC
Cementyt węglik żelaza Fe3C, kruchy, odporny chemicznie i bardzo twardy składnik stali i żeliw białych. Cementyt pierwszorzędowy[podczas krzepnięcia], drugorzędowy[perlit], trzeciorzędowy. Grafit- sieć heksagonalna, siły van der Waalsa, miękki, wysoka wytrzymałość wzdłuż płaszczyzn - wiązanie kowalencyjne.
Ledeburyt stop eutektyczny, składnik strukturalny żeliw i surówek białych- duża twardość (surówka) o eutektyce złożonej z cementytu i austenitu. Powstaje podczas krzepnięcia
Perlit jest mieszaniną eutektoidalną, składającą się z ułożonych na przemian płytek ferrytu i cementytu, powstającą w wyniku rozpadu austenitu w temperaturze 723°C. Po wypolerowaniu i wytrawieniu przypomina masę perłową - stąd nazwa.
Bainit, składnik strukturalny stopów żelazo-węgiel. Mieszanina ferrytu i cementytu, powstająca w wyniku izotermicznej przemiany austenitu przechłodzonego do temperatury 550-400°C .
Martenzyt, składnik struktury hartowania stali, będący przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie α, o tetragonalnej sieci przestrzennej i charakterystycznej mikrostrukturze, przedstawiającej igiełki przecinające się pod kątem 60°. Martenzyt otrzymuje się w wyniku gwałtownego ochłodzenia nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej. W stanie martenzytu stal odznacza się największą twardością.
12. Wpływ węgla i dodatków stopowych na strukturę Fe-C
Stal stop żelaza z węglem (do 2,06% C) i in. pierwiastkami wprowadzonymi w celu uzyskania żądanych własności, najczęściej mechanicznych, technologicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych i in., obrabialny plastycznie, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym
Zanieczyszczenia - obniżają właściwości i dodatki
Domieszki - wprowadza się w czasie wytopu stali w celu jej odtlenienia i związania siarki
Dodatki stopowe do stali wprowadza się w celu : zwiekszenia właściwości wytrzymałościowych, wywolania zmian strukturalnych, uzyskania specjalnych wlasciowsci fizycznych i chemicznych, zwiekszenie hartownosci
Żeliwa odlewniczy stop żelaza z węglem (zawartość węgla 2-4,5%),krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami, otrzymywany przez stopienie w żeliwiaku surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego i stalowego oraz żelazostopów. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel rozróżnia się żeliwa: szare (węgiel w postaci grafitu), białe (węgiel w postaci węglika żelaza - cementytu) oraz połowiczne (w pewnych skupieniach węgiel występuje jako grafit, w innych jako cementyt). Dodanie krzemu, niklu i aluminium, jak również powolne chłodzenie sprzyjają wydzielaniu się grafitu, natomiast domieszki manganu i siarki oraz szybkie chłodzenie - tworzeniu się cementytu.
Starzenie stopu polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury poniżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Podczas procesu wydziela się składnik znajdujący się w nadmiarze w postaci depresyjnych faz rozmieszczonych w ziarnie. Starzenie powoduje umocnienie stop, czyli poprawę właściwości wytrzymałościowych i wzrost twardości oraz pogorszenie właściwości plastycznych
Hartowność stali - jest podatnością stali na hartowanie, czyli tworzenie struktury twardszej, odpornej na ścieranie. Na hartowność wpływa głównie skład chemiczny stali.
Przez hartowność rozumie się głębokość na jaką stal da się zahartować.