Właściwości (properties)

Informują o zdolności do odkształceń podczas procesu wytwarzania i

zachowaniu materiału podczas eksploatacji

np. materiał poddawany procesowi kucia – odkształcalny i ciągliwy

Podstawowe właściwości mechaniczne:

przy obciążeniu statycznym:

moduły sprężystości E (Younga) i G (Kirchhoffa)

granica plastyczności Re

wytrzymałość na rozciąganie Rm (granica wytrzymałości)

odporność na pękanie

twardość

ciągliwość

udarność – przy obciążeniach dynamicznych (impact load)

wytrzymałość zmęczeniowa – przy obciążeniach cyklicznie zmiennych

odporność na pełzanie – przy podwyższonej temperaturze

pełzanie – zwiększające się z czasem odkształcenie plastyczne pod

wpływem naprężenia, występujące nawet przy naprężeniach mniejszych

od granicy plastyczności.

Struktura – różne poziomy

Struktura atomu - liczba elektronów na zewnętrznej

powłoce wpływa na rodzaj wiązania i właściwości:

elektryczne

cieplne

optyczne

magnetyczne

Rozmieszczenie atomów w przestrzeni (mikrostruktura):

regularne i powtarzalne – kryształy (z defektami), ziarna

nieuporządkowane – materiały ceramiczne i polimery

Budowa fazowa (metalografia ilościowa)

stopy metali składają się z dwóch lub więcej faz

każda z faz charakteryzuje się innymi właściwościami.

Nazewnictwo w mikrostrukturze

Sieci punktowe – 14 możliwych sieci przestrzennych (crystal lattices), w

których punkty sieciowe mają identyczne otoczenie atomów w strukturze

krystalicznej

Komórka elementarna (unit cell) – równoległościan o symetrii takiej samej

jak symetria całej sieci; jej powtarzanie w trzech wymiarach odtwarza całą

sieć punktową

Kryształ – ciało stałe o regularnym i powtarzalnym ułożeniu atomów,

cząsteczek lub jonów

Ziarno (grain) – pojedynczy kryształ w polikrystalicznej strukturze stopu

Granica ziarn (grain boundary) – strefa niedopasowania krystalicznego

między sąsiednimi ziarnami

Faza (phase) – objętość stopu o wyraźnych granicach, na których

właściwości chemiczne lub fizyczne ulegają skokowej zmianie

Pory – spowodowane skurczem materiału podczas krystalizacji

Pęcherze gazowe – pozostałe po procesie metalurgicznym

Wtrącenia niemetaliczne – fragmenty wymurówki pieca lub inne

Wtrącenia plastyczne – wydłużone, występują w materiale obrobionym

plastycznie

Wtrącenia kruche – skupiska rozłożone w kierunku płynięcia materiału.

Proces wytwarzania (processing)

Ma na celu uzyskanie elementu o założonym

kształcie i właściwościach z materiału o kształcie

wstępnym

Metody kształtowania metali i stopów:

odlewanie ciekłego metalu do formy

obróbka plastyczna, bezubytkowa (walcowanie,

kucie, wyciskanie, ciągnienie, tłoczenie, zginanie,

wykonywanie otworów)

łączenie (przy użyciu dodatkowych elementów),

spajanie (spawanie, lutowanie, zgrzewanie)

zagęszczanie proszku metalowego i spiekanie

obróbka ubytkowa, wiórowa (toczenie, struganie,

frezowanie, wiercenie, szlifowanie, polerowanie).

Charakterystyka drewna

• Kompleksowy materiał kompozytowy

wzmacniany włóknami, złożony z:

długich rurowych komórek polimerowych w osnowie polimerowej

wnętrze rurek, wypełnione powietrzem i wodą,

zapewnia transport wody w górę drzewa

• Zalety: wytrzymałe (właściwości

anizotropowe) w kierunku wzdłużnym, lekkie, estetyczne

Makrostruktura pnia drewna od

zewnętrznej warstwy

• Kora

• Łyko

• Miazga – tkanka rozmnażająca się – wytwarza

zewnętrzne i wewnętrzne warstwy

• Biel

• Twardziel

• Rdzeń o średnicy 1-5mm w osi pnia, najmniej

wartościowy

• Najbardziej wartościowe części pnia, zawierają

żywicę, garbniki i olejki eteryczne

Drewno miękkie i twarde

• Drewno iglaste: sosna, jodła, świerk, modrzew, cedr, cis

• Drewno liściaste

miękkie: lipa, wierzba, topola, osika, brzoza, olcha

twarde: dąb, grab, buk, wiąz, jesion, klon,

orzech, jawor, grusza, akacja, mahoń, heban

Właściwości drewna

• Mała gęstość

• Trwałość

• Sprężystość

• Wytrzymałość

• Mała rozszerzalność i przewodność cieplna

• Podatność na obróbkę mechaniczną

• Suche ma małą przewodność elektryczną

• Jest zdrowe – ludzkość od początku współistnieje z drzewami

• W USA i Kanadzie używa się go do budowy

większości niskich zabudowań mieszkalnych

Ochrona drewna budowlanego

• Nie stosowanie drewna z rozbiórki

• Suszenie i zabezpieczenie przed wilgocią,

wietrzenie

• Nie malowanie przed wysuszeniem

• Impregnacja preparatami grzybobójczymi,

pleśniobójczymi i przeciwpalnymi

• Drewno niezabezpieczone może być

niszczone przez wodę, owady, grzyby i małże

Metale, ich stopy i inne substancje

• 84 pierwiastki są metalami (metali jest najwięcej)

czyste metale są rzadko wykorzystywane

• Stop (alloy) – co najmniej dwuskładnikowe tworzywo metaliczne

składające się z metalu (przewaga) oraz innych pierwiastków; np.:

żelaza (iron)

miedzi (copper)

aluminium (glinu)

niklu (nickel)

tytanu (titanium)

• Związek (compound) – substancja składająca się z dwóch lub

więcej pierwiastków zwykle o ściśle określonym stosunku liczby

atomów poszczególnych pierwiastków

• Mieszanina (mixture) – układ złożony z dwóch lub więcej faz

• Roztwór (solution) – faza składająca się z więcej niż jednego

pierwiastka i zachowująca typ struktury rozpuszczalnika

• Rozpuszczalnik – główny składnik roztworu, pierwiastek lub związek

Właściwości metali i ich stopów

Korzystne	Niekorzystne
wytrzymałość stopów metali (strength) sztywność (stiffness) ciągliwość (ductility) trwale odkształcalne odporność na pękanie odporność na obciąż. dynamiczne przewodność cieplna przewodn. elektryczna połysk po wypolerowaniu	mała wytrzymałość czystych metali nieodporne na czynniki chemiczne ulegają korozji (utlenianiu)

Nazewnictwo składników stopu

• Baza, osnowa (matrix) lub „stop + nazwa pierwiastka” (np. stop

żelaza) – pierwiastek którego w stopie jest najwięcej, najczęściej

ponad 50% masowych

• niektóre stopy mają zwyczajowo przyjętą nazwę, np. staliwo (cast steel),

mosiądz (brass), brąz (bronze), konstantan, elektron (dowmetal),

nikielina, dural (duralumin), silumin, alnico

• Domieszka lub dodatek stopowy – pierwiastek występujący w stopie

w małej ilości i wprowadzony w celu uzyskania lub zwiększenia

konkretnych właściwości (np. odporności na korozję, hartowności)

• Zanieczyszczenie (impurity) – pierwiastek lub związek chemiczny

(np. żużel) który niekorzystnie wpływa na właściwości stopu i w

procesie metalurgicznym staramy się ograniczyć jego zawartość

• Zawartość składników stopu zawsze podajemy w odniesieniu do

udziałów masowych (weight percentage

Materiały ceramiczne

• Materiały ceramiczne – tlenki lub związki z

węglem (Carbon), azotem (Nitrogen), fosforem

(Phosphorus) i siarką (Sulphur)

• Podstawowe składniki materiałów ceramicznych:

tlenek aluminium (glinu) Al2O3 (aluminium oxide, corundum)

tlenek krzemu SiO2 (silicon dioxide)

tlenek magnezu MgO (magnesium oxide)

węglik krzemu SiC (silicon carbid, carborundum)

azotek krzemu Si3N4 (silicon nitrid)

Właściwości materiałów Ceramicznych

Korzystne	Niekorzystne
wytrzymałość szczególnie na ściskanie (compresion) odporne na korozję odporność na wysokie temperatury – materiały ogniotrwałe obojętne dla środowiska (neutral) nadprzewodniki, np. CuO2 poniżej 138K	przewodność cieplna przewodn. elektryczna ciągliwość (ductility) odporność na pękanie (fracture resistance) wysoka temperatura topnienia (melting point) Al2O3 – 2020ºC metal Al – 660ºC

Polimery

• Tworzywa wielkocząsteczkowe – głównie

związki C, N, Fluorine, Cl (Chlorine) i S

• Zbudowane z cząsteczek o długich

łańcuchach utworzonych z merów

• Cząsteczka polimeru może zawierać

ponad 500 merów i ważyć ponad 1000u

• Atomowa jednostka masy 1u≈1,66*10-27kg

• Przykład – merem polietylenu jest

cząsteczka etylenu C2H4

Właściwości polimerów

Korzystne	Niekorzystne
odporność na korozję estetyczny wygląd bez dodatkowej obróbki mała gęstość (lekkie) łatwo formowalne w skomplikowane kształty mały współczynnik tarcia ciągliwe (tylko termoplastyczne) są izolatorami mogą przewodzić prąd elektryczny	mała sztywność (stiffness) niska temperatura topnienia (mięknienia) duże odkształcenia sprężyste pełzanie przy temperaturze normalnej kruche (tylko termoutwardzalne) silna zmiana właściwości od temperatury szkodliwe dla środowiska

Kompozyty (composites)

• Dobierając materiały można uzyskać kompozyt o

właściwościach niemożliwych do uzyskania innymi

metodami: lekki i wytrzymały

• „Kompozyty” naturalne, np. drewno – włókna w osnowie polimeru

• Kompozyty wytwarzane przez człowieka

• Stosowane w przypadkach gdy:

właściwości są znacznie ważniejsze niż koszt, np. w sprzęcie

sportowym, na części samolotów

środowisko pracy lub wartości obciążeń uniemożliwiają

zastosowanie pojedynczego materiału

• Zawartość materiałów składowych (faz) w kompozycie

zawsze podajemy w odniesieniu do udziałów objętościowych

Budowa kompozytów

• Składają się co najmniej z dwóch materiałów (faz):

faza osnowy (matrix phase) – podstawowy składnik

strukturalny kompozytu – zapewnia ciągłość materiału

faza zbrojąca (reinforcement) – ze wszystkich stron otoczona osnową

• Każda z tych faz należy do jednej z trzech grup materiałów:

Metal

Ceramika

Polimer

• Materiały składowe (fazy) kompozytu mogą należeć do tej samej lub różnych grup

materiałów

Charakterystyka faz kompozytów

• Faza osnowy

polimery utwardzalne – epoksydy, poliestry, poliamidy

polimery termoplastyczne – polieteroketon – bardziej ciągliwe ale o

mniejszej odporności na temperaturę

metale – aluminium, stopy Al-Li, magnez, tytan

ceramika – SiC, Si3N4 , Al2O3

• Włókna i inne elementy wzmacniające

szkło – borokrzemianowe, magnezowoglinokrzemianowe – duża

gęstość i wytrzymałość, mała sztywność, najniższe koszty

węgiel – o dużej sprężystości lub o wysokiej wytrzymałości, mniejsza

gęstość od szkła, niski koszt

bor (na rdzeniu z drutu wolframowego lub węglowego) – wysoka

wytrzymałość i sztywność, największy koszt i gęstość

aramidy – największy stosunek wytrzymałości do masy, wysoki koszt

inne włókna – węglik boru, azotek boru, węglik tantalu, stal, wolfram, Molibden

Półprzewodniki (semiconductors)

• Nie są dobrymi przewodnikami (conductor) ani dobrymi

izolatorami (non-conductor, insulator)

• Dodanie do półprzewodnika małej ilości niektórych

pierwiastków zmienia gwałtownie ich właściwości

elektryczne

• Służą do wytwarzania złożonych obwodów

elektrycznych, np. wielowarstwowych układów scalonych

wysokim stopniu integracji (czy ktoś taki widział?)

• Powszechnie stosowanymi półprzewodnikami

pierwiastkowymi są Si i Ge (germanium)

• Niektóre związki chemiczne są również

półprzewodnikami, np. arsenek galu GaAs (galium arsenide)

Tworzywa inżynierskie - podsumowanie

• W technice wykorzystuje się pięć grup materiałów:

metale, ceramiki, polimery, kompozyty i półprzewodniki

• Metale i stopy są przewodnikami, wytrzymałymi lecz

mało odpornymi na korozję

• Ceramiki i szkła są kruchymi izolatorami, odpornymi na

korozję i wysoką temperaturę

• Polimery są mało wytrzymałymi izolatorami, ciągliwymi

lub kruchymi, nietrwałymi przy podwyższonej

temperaturze, choć odpornymi na korozję

• Kompozyty są kompozycją wymienionych materiałów;

mają szerokie, często przeciwstawne właściwości

• Półprzewodniki mają szczególne właściwości

Elektryczne

Struktura atomu

• Model planetarny

rozkład masy

rozkład ładunku

• Jądro atomowe – liczba masowa A równa liczbie nukleonów

protony – liczba atomowa Z

neutrony – ich liczba może być różna dla atomów tego samego

• pierwiastka. Mówimy o izotopach pierwiastka, np. ¹⁴₆C

• Siedem powłok elektronowych (główna liczba kwantowa n równa

liczbie podpowłok):

1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q

2, 8, 18, 32, 50, 72, 98 – max liczba elektronów na powłoce

s, p, d, f, g, h, i - podpowłoki

2, 6, 10, 14, 18, 22, 26 - maksymalna liczba elektronów na

podpowłoce

• Atomowa jednostka (węglowa) masy 1u=1/12 masy atomu węgla ¹²₆C

• 1g=(6,023*1023)u – w nawiasie liczba Avogadro

Okresowość właściwości pierwiastków

• Okresową funkcją liczby atomowej Z są właściwości:

fizyczne chemiczne

• Układ okresowy (tablica Mendelejewa)

18 grup - w kolumnach

siedem okresów - w wierszach

• W jednym okresie są pierwiastki, dla których zapełniana jest jedna powłoka

• W jednej grupie są pierwiastki o takiej samej liczbie elektronów na

zewnętrznej powłoce

Lantanowce - różna liczba elektronów (od 18 do 32) na powłoce N

(podpowłoka 4f – od 0 dla Lantanu do 14 dla Lutetu). Na powłokach O i P

liczba elektronów stała

• Aktynowce – podpowłoka 5f jest zapełniana po zapełnieniu podpowłoki 7s i

po wejściu jednego elektronu do podpowłoki 6d.

• Pierwiastki, których atomy oddają elektrony wchodząc w reakcje chemiczne

nazywa się elektrododatnimi (głównie metale)

jeżeli przyłączają elektrony – elektroujemnymi (dielektryki)

Wiązania międzyatomowe i międzycząsteczkowe

• Wiązania silne (pierwotne) – związane z

przechodzeniem lub uwspólnianiem elektronów przez atomy

jonowe

kowalencyjne

metaliczne

• Znacznie słabsze wiązania wtórne

(międzyatomowe lub międzycząsteczkowe)

Van der Waalsa

mostki wodorowe

Wiązanie jonowe

• Polega na elektrostatycznym przyciąganiu się jonów różnych znaków

• Dwa etapy powstawania wiązania

przejście elektronu z jednego atomu do drugiego:

NaCl: energia jonizacji Na (uwolnienia elektronu) 5,1eV;

uwolniony elektron przechodzi do Cl, wyzwala się przy tym energia 3,8eV

powstanie jonów „+” i „-” czyli atomów elektrycznie nieobojętnych:

w przypadku NaCl: powstają jony Na+ i Cl-

• Powinowactwo elektronowe – energia uwolniona przez atom w efekcie przyłączenia elektronu, np. 3,8eV dla Cl.

Stabilność wiązania jonowego

• Warunek stabilności:

jeżeli energia potrzebna do zerwania wiązania jonowego jest

większa niż energia wyzwolona przy powrocie elektronu do

atomu macierzystego

• Przykład NaCl:

energia jonizacji (zostanie wyzwolona przy powrocie elektronu

od Cl do Na) 5,1 - 3,8 = 1,3eV, czyli: Na + Cl + 1,3eV => Na+ + Cl-

energia potrzebna do zerwania wiązania 4,2eV, tzn.: NaCl + 4,2eV => Na + Cl

energia potrzebna do zerwania 4,2eV jest większa niż

wyzwolona przy powrocie elektronu 1,3eV

wiązanie nie pęka bez dostarczania energii z zewnątrz

Związki chemiczne oparte na wiązaniu jonowym

• Składają się z pierwiastka metalicznego i

niemetalicznego

• Jeżeli atomy wchodzące w skład związku

charakteryzują się dużą różnicą elekroujemności

metale – elektrododatnie

niemetale (dielektryki) – elektroujemne

• W krysztale jonowym w otoczeniu jonu jednego

pierwiastka jest jak największa liczba jonów

drugiego pierwiastka (jonów przeciwnych)

Wiązanie kowalencyjne

• Atomy związane kowalencyjnie mają wspólne

elektrony walencyjne, np. H2, CH4, CO2

• Wspólne elektrony muszą mieć przeciwne spiny

tylko przy spinie antyrównoległym występuje minimum

energii wiązania

spin – wewnętrzny moment pędu (wokół osi przechodzącej

przez środek)

• Występuje w związkach utworzonych przez atomy o

takiej samej elektroujemności

• Wiązanie pojedyncze (Cl-Cl) - utworzone przez

jedną parę elektronów. O=O. N≡N.

• Wykazuje kierunkowość – wiązanie działa w

kierunku równoległym do linii łączącej środki

atomów mających wspólne elektrony

Wiązania kowalencyjne węgla i wodoru

• Grafen – jednoatomowej grubości warstwa z potrójnymi wiązaniami węgla

każda milimetrowej grubości warstwa grafitu zawiera około

3 milionów warstw grafenu

• Atomy węgla tworzą zwykle czterokrotne (poczwórne) wiązania kowalencyjne

• Wiązanie ważne w procesach życia – utrzymuje

długie łańcuchy C i H z innymi pierwiastkami

• Związki węgla z pojedynczym wiązaniem między

atomami węgla nazywamy nasyconymi

• Z podwójnym lub potrójnym wiązaniem pomiędzy

atomami węgla – związki nienasycone

• W chemii „niskonasycone kwasy tłuszczowe”

oznacza podwójne wiązanie pomiędzy atomami węgla

Przykłady wiązań kryształów

• Większość ciał stałych to kryształy – mają

budowę uporządkowaną w dużym obszarze

• Kryształ jonowy (NaCl)

• Kryształ kowalencyjny (diament)

• Mieszane (grafit, fuleren)

fuleren tworzy sieć RSC – każda cząsteczka C60 zajmuje położenie węzłowe. Pomiędzy cząsteczkami występują siły Van der Waalsa

cząsteczki fulerenów właściwych (struktura pusta

w środku z parzystą liczbą atomów węgla) w

stanie gazowym i stałym występują w kosmosie

Wiązanie metaliczne

• Elektrony wartościowości (walencyjne) w metalach mogą być łatwo

odrywane od atomów i tworzą „gaz elektronowy”

• Wiązanie metaliczne jonów dodatnich (kationów) z gazem

elektronowym utrzymuje metal w całości

• W kryształach metali kationy znajdują się w węzłach sieci

krystalicznej, a ich ułożenie jest jak najgęściejsze (nie jest to

wiązanie kierunkowe)

• O kolektywnym charakterze oddziaływań (grupy jonów dodatnich z

grupą elektronów) świadczą:

możliwość zginania i rozciągania

tworzenie stopów o dość dowolnych proporcjach składników

• Elektrony swobodne nie mogą się wydostać z metalu, bez

dostarczenia im energii, z powodu studni potencjału – 10eV

• Dzięki ruchliwym elektronom swobodnym metale charakteryzują się

dużą przewodnością cieplną i elektryczną

• Siła wiązania zależy od energii przyciągania między kationami i

elektronami swobodnymi, oraz odpychania pomiędzy samymi

kationami i elektronami między sobą

Wiązanie Van der Waalsa

(wiązanie międzycząsteczkowe)

• Atomy oraz cząsteczki mogą łączyć się za pomocą sił Van der

Waalsa

• Siły Van der Waalsa występują pomiędzy dipolami elektrycznymi

(podobnie jak w wiązaniach jonowych):

stałymi, np. mostki wodorowe w cząsteczce H2O

indukowanymi

chwilowymi (zmienny w czasie rozkład ładunku elektrycznego w cząsteczce)

• Dipol elektryczny – układ dwóch ładunków, równej wielkości lecz o

przeciwnych znakach, znajdujących się blisko siebie

• Wiązania słabe – energia wiązania stanowi ok. 1% energii wiązań

jonowych i kowalencyjnych

• Występują w cieczach i ciałach stałych, np. skroplonych gazach

szlachetnych, między sąsiednimi cząsteczkami polimeru np.

polietylenu (C2H4)n

pomiędzy atomami C-C i C-H polietylenu występują silne wiązania

kowalencyjne

• W cząsteczce H2O kąt wiązania wynosi 104,5º. Wspólna para

elektronów H-O jest przesunięta w kierunku atomu tlenu

Wiązania między atomami - podsumowanie

• Model planetarny objaśnia budowę atomu

• Liczba protonów określa jakiego pierwiastka jest atom

• Struktura elektronowa decyduje o wiązaniach tworzonych przez

• pierwiastek

• Pomiędzy atomami tworzą się wiązania pierwotne: jonowe,

kowalencyjne i metaliczne

• Pomiędzy dipolami elektrycznymi mogą tworzyć się wiązania wtórne

• Wiązania jonowe tworzą się pomiędzy jonami przeciwnych znaków

• W wiązaniu kowalencyjnym tworzą się wspólne, dla sąsiadujących

atomów, pary elektronów

• Elektrony walencyjne tworzą gaz elektronowy w wiązaniu

metalicznym

• W ceramikach i szkłach występują wiązania jonowe i kowalencyjne

• W polimerach wiązanie kowalencyjne występuje w obrębie meru,

pomiędzy cząsteczkami polimeru występują słabe wiązania wtórne

Podział materiałów ze względu na sposób ułożenia atomów

• Krystaliczne (crystalline)

metale – krystalizują w postaci jednej z trzech prostych struktur

materiały ceramiczne – tworzą wiele różnych struktur

krystalograficznych

tylko niewielka część objętości polimeru może mieć postać

krystaliczną, bo cząsteczki są duże i mają złożoną budowę

materiały takie są zbudowane z niewielkich kryształów

w kryształach występuje regularne i powtarzalne ułożenie

atomów

wyróżniamy siedem układów krystalograficznych

występuje czternaście typów sieci krystalograficznych

• Niekrystaliczne, amorficzne (amorphous)

szkła nie mają struktury krystalicznej

Budowa krystaliczna

• Wspólna cecha metali (stopów) i materiałów

ceramicznych

• Większość ciał stałych to kryształy – mają

budowę uporządkowaną w dużym obszarze

• Wiązania pomiędzy wszystkimi atomami

puszczają przy tej samej temperaturze – mają

taką samą wytrzymałość

• W stopie na bazie metalu zdarza się, że

występuje jednocześnie ciecz i ciało stałe (inna

faza i o innym składzie chemicznym niż ciecz)

Ciało stałe bezpostaciowe (amorficzne)

• Nie ma określonego rozmieszczenia atomów

• Jest to ciecz przechłodzona o dużej lepkości, np.:

smoła (tar)

szkło (glass)

wiele polimerów (plastics)

• Wiązania (np. kowalencyjne i Van der Waalsa) między

atomami mają różną wytrzymałość – pękają przy różnej

temperaturze

czy topi się?

czy krzepnie?

• Nie występuje wyraźne przejście ze stanu stałego do

ciekłego (melting) i odwrotnie (solidification)

Nazewnictwo w mikrostrukturze

• Sieci punktowe – 14 teoretycznych sieci przestrzennych

(crystal lattices), w których punkty sieciowe mają identyczne

otoczenie atomów w strukturze krystalicznej

• Punkty (węzły) sieciowe – punkty tworzące sieć

krystalograficzną. Na każdy węzeł sieci może przypadać

jeden, dwa lub więcej (ponad 100) atomów

• Komórka elementarna (unit cell) – równoległościan o symetrii

takiej samej jak symetria całej sieci; jej powtarzanie w trzech

wymiarach odtwarza całą sieć punktową

• Stałe (parametry) sieciowe to

długości krawędzi ścian komórki elementarnej (a, b, c) i kąty między

ścianami (alfa, beta, gamma)

odległości pomiędzy punktami (węzłami) sieciowymi

• Liczba koordynacyjna – liczba najbliższych sąsiadujących

atomów równoodległych od rozpatrywanego atomu

Położenia i kierunki sieciowe

• Początek układu współrzędnych przyjmuje się w punkcie sieciowym

• Osie układu współrzędnych pokrywają się z krawędziami komórki

elementarnej

• Położenia (punkty) sieciowe są wyrażane w jednostkach długości

krawędzi a, b, c komórki elementarnej

• Wskaźniki położeń są unikalne dla każdego punktu

• Położenia (punkty) sieciowe opisujemy bez nawiasów

• Prosta kierunku sieciowego przechodzi przez punkty sieciowe

• Wskaźniki kierunku sieciowego są takie same dla wszystkich

kierunków równoległych, bo początek układu może być w dowolnym

punkcie sieciowym

• Wskaźniki kierunku sieciowego podajemy w nawiasach

kwadratowych; rodzina kierunków w nawiasach trójkątnych

• Są trzy współrzędne uvw położenia/kierunku [uvw] sieciowego

• Położenia/kierunki ujemne zapisuje się z kreską poziomą nad

cyfrą/liczbą

Wskaźnikowanie płaszczyzny

sieciowej (wskaźniki Millera)

• Obrać układ współrzędnych z początkiem w punkcie

sieciowym

• Odczytać długości odcinków, w jednostkach parametrów

sieciowych abc, wyznaczonych na osiach układu

współrzędnych przez płaszczyznę sieciową

jeżeli płaszczyzna przechodzi przez początek układu – układ

należy przesunąć tak aby początek był w innym miejscu

• Obliczyć odwrotności długości odcinków

• Sprowadzić odwrotności do najmniejszych liczb

całkowitych

• Wskaźniki płaszczyzny sieciowej są zbiorem trzech

najmniejszych liczb całkowitych, ogólnie (hkl); rodzina

płaszczyzn {hkl}

• Np. płaszczyzna (021) jest równoległa do osi x, przecina

oś y w 1/2b i oś z w odległości c. Odwrotności 1/∞, 1/½,1/1

Oznaczanie struktur krystalicznych

wg Pearsona (dwie litery i liczba)

• Pierwsza litera mała – układ krystalograficzny

cubic, hexagonal (trygonalny/romboedryczny i heksagonalny),

tetragonal, orthorhombic, monoclinic, anorthic (triclinic)

• Druga litera duża – typ sieci przestrzennej

P prymitywna, I przestrzennie centrowana, F ściennie

centrowana, C centrowana na podstawie, R romboedryczna

• Liczba atomów przypadających na komórkę elementarną

regularna przestrzennie centrowana – 2

heksagonalna prymitywna – 1 (zwarta – 2)

regularna ściennie centrowana – 4

• cF4 – sieć regularna (c) ściennie centrowana (Facecentered)

z czterema atomami na komórkę

• hP2 – sieć heksagonalna (h) prymitywna (P) z dwoma

atomami na komórkę (zwarta)

Polskie skróty oznaczające

struktury

• RSC – regularna ściennie centrowana, np. Feγ

• RPC – regularna przestrzennie centrowana, np. Feα

• HZ – heksagonalna zwarta

• RP – regularna prymitywna

• Większość metali tworzy sieć krystaliczną

regularną (ściennie RSC i/lub przestrzennie

centrowaną RPC) oraz heksagonalną HZ

Płaszczyzna o najgęstszym ułożeniu atomów

• Liczba koordynacyjna – liczba najbliższych Równoodległych atomów sąsiednich

• Tylko w jednej płaszczyźnie liczba najbliższych atomów = 6

Struktury krystaliczne materiałów ceramicznych

• Wiele materiałów ceramicznych ma jeden z n/w

typów struktury krystalicznej

RSC

RPC

HZ

lub RP (regularna prymitywna)

• Aniony tworzą strukturę krystaliczną a kationy

rozmieszczone są w lukach między anionami

• Wymiar luki jest równy maksymalnej średnicy

kuli mieszczącej się w luce

lukę oktaedryczną otacza 6 atomów

lukę tetraedryczną otaczają 4 atomy

Charakterystyka luk

• d – średnica atomu w położeniu węzłowym (punkcie sieciowym)

• RSC – wymiary luki takie same w trzech kierunkach

oktaedryczne; 1+12/4=4 luki na komórkę; jedna luka przypada na jeden

atom w węźle sieci; 0,414d

tetraedryczne – 8 luk na komórkę; na jeden atom sieci przypadają dwie

luki; 0,225d

• RPC – luki wpisane są w bryły nieforemne

oktaedryczne (spłaszczony ośmiościan); 6/2+12/4=6 luk na komórkę;

trzy luki przypadają na jeden atom sieci; 0,633d x 0,155d

tetraedryczne (czworościan wydłużony w kierunku pionowym); 4*6/2=12

luk na komórkę; na jeden atom sieci przypada sześć luk; 0,291d

• HZ – jak w przypadku struktury RSC

w idealnej strukturze HZ stosunek wymiarów komórki c/a=1,633

• RP – jedna luka wewnątrz komórki otoczona 8 atomami

sześcian; jedna luka na komórkę; na jeden atom sieci przypada jedna

luka; 0,732d

Materiały ceramiczne jonowe

• Ceramiki jonowe są związkami chemicznymi metali z niemetalami

CsCl – sieć RP; po dwa atomy na punkt sieciowy

NaCl; MgO; CaO; NiO; FeO; MnO; NbO; VO; CoO; CdO – sieć

RSC; po dwa atomy na punkt sieciowy

CaF2; ZrO2; UO2; ThO2; HfO2 – sieć RSC tworzy 4 kationy; 8

anionów zajmuje luki tetraedryczne

Al2O3; Fe2O3; V2O3; Cr2O3; - jony tlenu tworzą sieć

heksagonalną; kationy zajmują 2/3 luk oktaedrycznych. Nie

obsadzonych jest 1/3 luk i struktura jest zniekształcona

• Kryształy są elektrycznie obojętne, dlatego muszą być

spełnione wzory stechiometryczne

• Podobnie jak w kryształach metali, dążą do jak

najściślejszego ułożenia jonów w przestrzeni

Proste ceramiki kowalencyjne

• Ceramiki kowalencyjne są związkami dwóch niemetali, lub

• są czystymi pierwiastkami

diament – sieć RSC; dwa atomy na punkt sieciowy; wypełnienie

przestrzeni 34% (max 74%); największa twardość

mały diament można też wyprodukować z grafitu (6GPa, 1300ºC).

Ostatnio modne jest robienie diamentów z ludzkich prochów po

specjalnej kremacji

dowolny – metodą CVD i wyżarzaniem (2000ºC) przy obniżonym

ciśnieniu

SiC – jak diament lecz co drugi atom Si zamiast C; twardość

mniejsza tylko od diamentu (podtlenku boru, azotku boru)

grafit – sieć heksagonalna (lub romboedryczna) składająca się z

warstw atomów; wiązanie Van der Waalsa pomiędzy warstwami;

stopień wypełnienia przestrzeni 16%; właściwości smarne

• Następuje uwspólnianie elektronów, więc jest określona liczba sąsiadujących atomów

• Położenia atomów są określone, bo wiązanie kowalencyjne jest kierunkowe

• Konieczność minimalizacji energii wiązań skutkuje

tworzeniem łańcuchów, warstw lub sieci trójwymiarowych

Grafen i grafit

• Średnica atomowa węgla w graficie 141pm

• Tworzą się warstwy (grafen) gdzie energia wiązania jest minimalna

• Jaką powierzchnię zajmie 1g grafenu gdyby ułożyć tylko jedną warstwę?

• Pojedyncza płaszczyzna może się zwinąć w nanorurkę

Polimorfizm

• Występowanie pierwiastka lub związku w różnych

strukturach krystalicznych

• Alotropia jest terminem węższym i dotyczy wyłącznie

czystych pierwiastków

• Przemiana polimorficzna zachodzi gdy inna struktura

będzie miała mniejszą energię

• Różnica energii związku występującego w różnych

strukturach jest mała, dlatego struktura ulega zmianie ze

zmianą temperatury

• Przemiana alotropowa w żelazie (RSC→RPC) przy

temperaturze 912ºC _ umożliwia hartowanie stali

• Przy temperaturze 1394ºC _ struktura RSC ma większą

energię niż RPC dlatego zachodzi przemiana (RSC→RPC)

Elementy krystalografii - podsumowanie

• Większość materiałów inżynierskich ma strukturę

krystaliczną z regularnym i powtarzalnym ułożeniem atomów

• Jest siedem podstawowych układów krystalograficznych

i 14 typów sieci

• Komórkę elementarną można opisać za pomocą

parametrów sieciowych

• Położenia, kierunki i płaszczyzny sieciowe są opisywane

za pomocą wskaźników

• Metale krystalizują w jednej z trzech struktur: RPC, RSC lub HZ

• Występowanie pierwiastka lub związku w więcej niż

jednej strukturze krystalicznej nazywa się polimorfizmem

Reguła faz (Gibbsa)

• Faza (phase) f – objętość stopu (układu) o wyraźnych

granicach, na których właściwości chemiczne lub

fizyczne ulegają skokowej zmianie

• Fazy są oznaczane kolejnymi literami alfabetu greckiego

αβγδεζηϑικλµνξοπρστυφχψω

• Składnikami n układu są pierwiastki lub związki

niezbędne do utworzenia wszystkich faz

• Liczba stopni swobody s – liczba możliwych zmiennych

niezależnych (temperatura, stężenie składników,ciśnienie)

• W stopach metali (przy stałym ciśnieniu): s = n – f + 1

• Dla czystego pierwiastka (związku) przy temperaturze

topnienia s = 1 – 2 + 1 = 0

Jednolita sztywna bryła ma 6 stopni swobody, a człowiek ma ok 200.

Wykres fazowy jednoskładnikowy i dwuskładnikowy

• Skład stopu zawsze podajemy w procentach masowych

• Na linii wykresu mogą występować dwie fazy

• Jaka faza występuje przy temperaturze 0ºC?

• Czy w punkcie potrójnym mogą występować trzy fazy? TAK

Wykresy fazowe dwuskładnikowe

• Dwuwymiarowe mapy występowania

poszczególnych faz we współrzędnych

temperatura – skład masowy stopu

• Można wg nich śledzić tworzenie mikrostruktur i

zachodzenie przemian przy zmianie temperatury i składu

• Odzwierciedlają idealne warunki równowagi fazowej (powolne przemiany)

• W stopach rzeczywistych przemiany zachodzą w

warunkach różniących się od idealnych

Reguła dźwigni

Służy do określania względnych udziałów poszczególnych faz w obszarach dwufazowych

Wykres fazowy z przemianą eutektyczną, gdy składniki

rozpuszczają się w stanie stałym

• Składniki tworzą ze sobą roztwory stałe α i β

α – max rozpuszczalność składnika B w A wynosi 20%

β – max rozpuszczalność składnika A w B wynosi 10%

• Zachodzi ograniczona rozpuszczalność składników w stanie stałym

• Przemiana eutektyczna – izotermiczna przemiana jednej fazy w dwie

podczas chłodzenia

Wykresy fazowe dwuskładnikowe - podsumowanie

• Umożliwiają identyfikację faz stabilnych w warunkach

równowagowych, tzn. przy powolnym chłodzeniu

• Pomiędzy obszarami jednofazowymi występują obszary dwufazowe

obszary jednofazowe nie sąsiadują ze sobą

obszary dwufazowe graniczą w punktach lub przez linię poziomą (izotermę)

• W obszarze dwufazowym występuje mieszanina faz z

sąsiednich obszarów jednofazowych

• Linie poziome oznaczają przemianę przy stałej temperaturze

występują na nich trzy fazy, więc liczba stopni swobody jest równa zero

• Udział masowy poszczególnych faz można obliczyć przy użyciu reguły dźwigni

• Liczbę zmiennych parametrów układu można określić za pomocą reguły faz Gibbsa

• Przy chłodzeniu stopów o ograniczonej rozpuszczalności

  • mogą występować przemiany eutektyczna i perytektyczna

Przemiana perytektyczna – przemiana składająca się z dwóch faz przy czym jedna jest cieczą a druga ciałem stałym, przy chłodzeniu powstaje nam jedna faza stała.

Mikrostruktura (struktura)

materiałów krystalicznych

• Określa liczbę, rodzaj, typ, budowę, kształt, udział

objętościowy i rozmieszczenie faz oraz

rodzaj, gęstość i rozmieszczenie defektów najczęściej w

sposób termodynamicznie nierównowagowy

• Właściwości mechaniczne, magnetyczne,

obrabialność (podatność na zabiegi technologiczne) silnie zależą od struktury

• Struktura krystaliczna (budowa komórki elementarnej)

jest cechą charakterystyczną materiału

jej zmiana jest możliwa tylko w przypadku materiałów ulegających przemianom polimorficznym

• Mikrostruktura może być kształtowana przez stosowanie procesów technologicznych

Opis mikrostruktury

• Kształt, wielkość i orientacja ziarn

• Liczba faz (jednofazowa, wielofazowa)

• Udział objętościowy faz

• Wzajemne usytuowanie (ułożenie) ziarn

• Brak lub występowanie i rozmieszczenie zanieczyszczeń

• Brak lub występowanie wad materiałowych

porów

pęknięć

wtrąceń niemetalicznych

• Jednorodność struktury

jednolita wielkość ziarn

w strukturach wielofazowych równomierny rozkład faz (brak segregacji) lub segregacja faz

Struktura materiału - opis

Albo	albo
jednorodna (po wyżarzaniu) drobnoziarnista (duży stopień dyspersji) rozwinięta granica faz (ziarn) występują wtrącenia segregacja strefowa anizotropowa	niejednorodna (po starzeniu) gruboziarnista mała powierzchnia granic faz (ziarn) bez wtrąceń (niemetalicznych) równomierny rozkład faz, zanieczyszczeń izotropowa

Struktura jednofazowa równowagowa

• Charakterystyczna dla metali i stopów tworzących roztwory stałe

• Ziarna równoosiowe

• Jednakowa wielkość ziarn

• Przypadkowa orientacja ziarn

płaszczyzna zgładu przecina ziarna w różnych płaszczyznach metalograficznych

• Różne odcienie ziarn na obrazie mikroskopowym

Wpływ ziarna struktury jednofazowej na właściwości

• Im mniejsza średnia wielkość ziarna tym materiał ma większą

wartość granicy plastyczności Re

wytrzymałość

twardość

koercję (jeśli jest magnetycznie miękki)

• Wielkość ziarn wpływa proporcjonalnie na

plastyczność materiału

przenikalność magnetyczną (dla stopów o właściwościach magnetycznych)

Struktura dwufazowa w stanie równowagi

• Dwa rodzaje ziarn (każda z faz ma inne ziarna) o bardzo różnych kształtach

• Każda z faz ma inne właściwości

właściwości struktury zależą od udziału poszczególnych faz

ważny jest kształt poszczególnych ziarn

• Wielkość ziarn ma mniejszy wpływ na właściwości

Porównanie struktur

Jednofazowa	Dwufazowa
odporność na korozję plastyczna łatwo obrabialna struktura poliedryczna (równoosiowe ziarna o jednakowej wielkości)	ziarna różnych faz mogą tworzyć mikroogniwo korozyjne bardziej twarda bardziej wytrzymała struktura typu: ziarnistego lub płytkowego lub kulkowego lub iglastego lub dyspersyjnego w rzeczywistości typ struktury może być złożony z powodu zanieczyszczeń

Struktura ziarnista

• Równoosiowe (zbliżone do kulistych) ziarna obu faz

• Porównywalna wielkość ziarn obu faz

• Dowolne (nieuporządkowane) rozmieszczenie ziarn poszczególnych faz

• Jeśli (gdyby) rozkład faz jest równomierny to właściwości zależą od wielkości ziarna

• Gruboziarnistość może powodować kruchość

• Przykład – dwufazowy mosiądz o zawartości 38 - 45% Zn

Struktura płytkowa

• Charakterystyczna dla niezanieczyszczonych mieszanin eutektycznych lub eutektoidalnych

• Przypadkowo zorientowane płytki na przemian jednej i drugiej fazy

• Fazy mają różny skład chemiczny i różne właściwości (wytrzymałość, twardość)

• Właściwości stopu zależą od grubości płytek

im mniejsza grubość tym większa twardość a mniejsza kruchość

• Grubości płytek powinny być jednakowe gdy struktura tworzy się w warunkach izotermicznych

• Przykład – perlit w stopie żelaza z węglem

Struktura kulkowa

• Otrzymywana przez długotrwałe wygrzewanie struktury płytkowej

koagulacja (tworzenie się kulek) płytek jednej fazy

koalescencja (wzrost) płytek drugiej fazy

• Ziarna drugiej fazy stanowią osnowę

• Kuliste wydzielenia rozmieszczone są równomiernie w fazie osnowy

im mniejsza grubość wydzieleń tym większa twardość a mniejsza kruchość

segregacja (nierównomierne rozłożenie), pasma wydzieleń

powodują kruchość i zwiększają plastyczność

• Przy jednakowym składzie chemicznym mniej wytrzymała,

twarda a bardziej plastyczna niż struktura płytkowa

• Przykład – cementyt kulkowy w stalach średnio- i wysokowęglowych

Struktura iglasta

• Składa się z igieł jednej fazy

• Ziarna drugiej fazy stanowią osnowę

• Twarda i krucha – zwykle niepożądana

• Można jej uniknąć stosując zabieg modyfikacji ciekłego stopu

powiększenie liczby zarodków krystalizacji

rozdrobniona faza iglasta przyjmuje kształt

drobnych ziarn, praktycznie równoosiowych

• Przykład – nadeutektyczny stop Al-Si

Struktura dyspersyjna

• Otrzymywana w wyniku utwardzania wydzieleniowego

• Bardzo drobne, prawie kuliste, wydzielenia jednej fazy (zwykle międzymetalicznej)

• Ziarna drugiej fazy (zwykle roztwór stały) stanowią osnowę

• Wydzielenia równomiernie rozmieszczone w osnowie

• Wytworzenie wydzieleń zwiększa twardość i wytrzymałość a zmniejsza ciągliwość

• Segregacja wydzieleń do granicy ziarn osnowy może powodować kruchość stopu

• Przykład – wydzielenia fazy przesycającej w stopach Al-Cu lub Al-Mg

Mikrostruktura i jej wpływ na

właściwości stopów - podsumowanie

• Mikrostruktura charakteryzuje fazy i defekty

• Mikrostruktura może być zmieniana przez stosowanie procesów technologicznych

• Struktura jednofazowa składa się z równoosiowych ziarn o przypadkowej orientacji

• Struktura jednofazowa o mniejszych ziarnach ma większą wytrzymałość

• Dwie fazy powstające w warunkach równowagowych tworzą strukturę ziarnistą lub płytkową lub kulkową lub iglastą lub dyspersyjną

• Jeśli fazy mają taki sam skład chemiczny to struktura dyspersyjna i płytkowa mają największą wytrzymałość

• Struktura iglasta jest krucha więc niepożądana

Roztwory stałe

• Roztwór – faza składająca się z więcej niż jednego pierwiastka i zachowująca typ struktury rozpuszczalnika

• Roztwór stały – występuje w stanie stałym

rozmieszczenie atomów składnika rozpuszczonego w strukturze

krystalicznej rozpuszczalnika jest przypadkowe (jak w roztworze ciekłym)

• Roztwór substytucyjny (podstawieniowy) – atomy pierwiastka rozpuszczonego zajmują położenia atomów rozpuszczalnika w strukturze krystalicznej

• Roztwór stały międzywęzłowy – średnica atomu składnika jest dużo mniejsza niż średnica atomu rozpuszczalnika. Atomy składnika zajmują wtedy położenia w lukach

roztwory międzywęzłowe z żelazem tworzą C, N, B, H i O

ferryt i austenit występujące w stalach są roztworami tego typu

• Roztwór stały ciągły – składniki rozpuszczają się w sobie w dowolnych proporcjach

w przeciwnym razie rozpuszczalność składników jest ograniczona

Rozpuszczalność	w żelazie Feα	w żelazie Feγ
Węgla C	0,0218%	2,11%
Azotu N	0,1%	2,35%

Defekty punktowe w metalach

• Wakancje (wakanse) – puste (nie obsadzone) miejsce w strukturze krystalicznej

• Atomy rodzime w położeniach międzywęzłowych

• Prawdopodobieństwo tego, że jakieś położenie atomowe w metalu jest puste wynosi 10-6 przy temperaturze 0,5Tt i 10-3 tuż poniżej Tt

Dyslokacje

• Dyslokacje są defektami liniowymi - poza niewielkim obszarem wokół

linii zwanej linią dyslokacji, struktura krystaliczna jest doskonała

• Dyslokacja jest granicą oddzielającą część kryształu w której nastąpiło

odkształcenie trwałe (przemieszczenie atomów) i część jeszcze nieodkształconą

• Krawędziowa - przemieszczenie atomów następuje w kierunku prostopadłym do krawędzi dyslokacji

linia dyslokacji jest krawędzią kończącej się w krysztale płaszczyzny atomowej

• Śrubowa – przemieszczenie atomów następuje w kierunku równoległym do krawędzi dyslokacji

może być prawoskrętna (dodatnia) i lewoskrętna (ujemna) tak jak śruba

• Gęstość dyslokacji – suma długości linii dyslokacji w jednostce objętości materiału m/m3

w metalach wyżarzonych 10¹⁰m/m3 (średnia odległość do Księżyca 3,84*108m)

podczas odkształcania plastycznego następuje szybki wzrost gęstości dyslokacji

w materiale odkształconym na zimno przy redukcji przekroju 80% gęstość

dyslokacji wzrasta do 1016m/m3 (odległość do Plutona 6*1012m)

Systemy poślizgu

• Poślizg po „gładkiej” powierzchni zachodzi łatwiej niż po chropowatej

• Płaszczyznami poślizgu są płaszczyzny o możliwie gęstym ułożeniu atomów

• Płaszczyznę poślizgu i leżący w niej kierunek poślizgu nazywamy systemem poślizgu

• Liczba systemów poślizgu zależy od budowy komórki elementarnej

Monokryształ

• Materiał składający się z jednego kryształu (ziarna), jednego ułożenia atomów

ma dokładnie takie właściwości (linie poślizgu, anizotropia) jak

komórka elementarna na bazie której powstał

monokryształy czystych metali mają pewną wytrzymałość bo podczas ruchu dyslokacji (poślizgu) następuje zrywanie i tworzenie wiązań międzyatomowych

• Kryształ – ciało stałe o regularnym i powtarzalnym ułożeniu atomów, cząsteczek lub jonów

• Uzyskanie monokryształu jest trudne i kosztowne

materiał musi być chemicznie jednorodny

monokryształ powstaje przy bardzo wolnym chłodzeniu

• Znajdują specjalne zastosowanie, np. na łopatki turbin, w elektronice

Materiały polikrystaliczne

• Składają się z dużej liczby kryształów (ziarn), o wymiarach 10-100µm różniących się jedynie orientacją krystalograficzną

w niektórych materiałach ziarna mogą być większe, np. cynk

• Ziarno (grain) – pojedynczy kryształ w polikrystalicznej strukturze stopu

• Między atomami sąsiednich ziarn występują siły atomowe tego samego rodzaju jak wewnątrz kryształu

Granice ziarn

• Granica ziarn (grain boundary) – powierzchnia styku sąsiednich kryształów (ziarn)

• Granica ziarn jest strefą niedopasowania krystalicznego między sąsiednimi ziarnami

atomy zajmują położenia w wyniku kompromisu między

wymaganiami strukturalnymi obydwu sąsiadujących ziarn

odległości pomiędzy atomami na granicy ziarn są inne niż

wewnątrz kryształu

odległości międzyatomowe na granicy ziarn nie przekraczają

trzech średnic atomowych

atomy w granicy ziarn mają większą energię więc są bardziej reaktywne niż we wnętrzu kryształu

są drogami łatwiejszej dyfuzji

są miejscami uprzywilejowanego zarodkowania wydzielającej się fazy

do niej często segregują (koncentrują się) atomy domieszki

Granice bliźniacze

• Dwie części kryształu są bliźniakami gdy jedna z nich jest lustrzanym odbiciem drugiej w pewnej płaszczyźnie krystalograficznej

płaszczyzna (111) w strukturze RSC – ABCABCBACBAC

• Bliźniaki są widoczne pod mikroskopem optycznym, np. w stali austenitycznej

• Typy bliźniaków

bliźniaki wyżarzania powstają podczas wzrostu ziarn, głównie w

strukturze RSC (miedź, stal austenityczna, mosiądz)

bliźniaki odkształcania powstają w dowolnej strukturze

• bliźniakowanie - drugi (po poślizgu) ważny mechanizm odkształcenia plastycznego metali

• bliźniakowaniu sprzyja niska temperatura i duże szybkości odkształcenia

Umocnienie

• Wytrzymałość materiału krystalicznego można zwiększyć (spowodować umocnienie) przez wytworzenie w nim przeszkód dla ruchu dyslokacji dlatego, że

materiały krystaliczne zawierają dyslokacje

poślizg (przemieszczanie) dyslokacji prowadzi do odkształcenia plastycznego

naprężenie powodujące poślizg wywiera na dyslokację pewną siłę

linia dyslokacji może się wyginać jeśli na jej drodze znajdzie się przeszkoda

• Mechanizmy umocnienia

roztworowe (wytworzenie roztworu stałego np. w stali)

dyslokacyjne (odkształceniowe)

wydzieleniowe (węgliki w stali) lub cząstkami fazy dyspersyjnej

rozdrobnienie ziarn. Zachodzi odwrotnie proporcjonalna zależność

pomiędzy pierwiastkiem kwadratowym z powierzchni ziarna a granicą plastyczności

Umocnienie roztworowe

• Dyslokacje (defekt liniowy) oddziałują z atomami rozpuszczonymi (defekt zerowymiarowy)

• Wokół atomu domieszki powstaje pole odkształceń sprężystych zmniejszające

ruchliwość dyslokacji

• Wartości i zasięg pól naprężeń/odkształceń wokół atomu rozpuszczonego zależy od różnicy wielkości atomów osnowy i domieszki

• Już przy małej zawartości domieszki występują duże zmiany właściwości, np. granicy plastyczności Re , twardości

Umocnienie odkształceniowe

• W strukturach krystalicznych metali jest wiele systemów poślizgu

• Odkształcenie plastyczne powoduje przemieszczanie dyslokacji

• Dyslokacje z przecinających się płaszczyzn poślizgu spiętrzają się i gromadzą – umocnienie odkształceniowe

• Może utrudniać walcowanie cienkich blach – naprężenie płynięcia plastycznego rośnie

• Można uzyskać tylko w elementach obrabianych plastycznie

temperatura materiału po procesie umocnienia nie może wzrosnąć powyżej 0,3Tt.

Umocnienie (utwardzanie) wydzieleniowe lub cząstkami fazy

dyspersyjnej

• Dyslokacje czasem mogą ścinać (przechodzić przez) małe cząstki,

które mają takie same płaszczyzny i kierunki krystaliczne jak osnowa

• Cząstki (generalnie, zwłaszcza twarde) utrudniają ruch dyslokacji

mogą być opasywane i omijane przez dyslokacje

po przejściu dyslokacji wokół cząstki powstaje pętla dyslokacyjna

jeżeli cząstki są gęsto ułożone, naprężenie przemieszczające dyslokację musi być wystarczająco duże

• Cząstkami umacniającymi mogą być wydzielenia, np.

cząstki węglików lub azotków w stali

cząstki bogate w miedź dla stopów aluminium z miedzią (nie brązów)

• Wydzieleniami można utwardzać stopy, w których rozpuszczalność

domieszki maleje przy obniżaniu temperatury

podczas eksploatacji temperatura elementu nie może być wyższa niż

temperatura rozpuszczania wydzieleni

Defekty struktury - podsumowanie

• Materiały krystaliczne zawsze zawierają defekty: punktowe, liniowe i powierzchniowe

• W zależności od wielkości atomu rozpuszczonego w stosunku do atomu rozpuszczalnika roztwory mogą być międzywęzłowe lub podstawieniowe

• Dyslokacje mogą przemieszczać się pod wpływem naprężeń stycznych

• Zwiększanie gęstości defektów struktury krystalicznej powoduje zwiększenie wytrzymałości nazywane umocnieniem

Pojęcia

• Składnik struktury – część struktury materiału o określonej i charakterystycznej mikrostrukturze widocznej pod mikroskopem

• Tekstura – struktura materiału polikrystalicznego charakteryzująca się podobną orientacją sieci krystalicznej większości ziarn

uzyskiwana w wyniku obróbki plastycznej lub wyżarzania

jej skutkiem jest istnienie silnej anizotropii właściwości

• Anizotropia – zależność właściwości materiału od kierunku ich badania

• Segregacja – niejednorodność składu chemicznego materiału spowodowana powolnością dyfuzji (reakcji) lub oddziaływaniem z atomami domieszki

• Wydzielenie (release) – wytworzenie się nowej fazy z roztworu przesyconego

Żelazo (iron) 7,8 g/cm3

• Struktura RPC (odmiana alotropowa Fe-α) do temperatury 912ºC (G)

• Powyżej temperatury 912 do 1394ºC (N) struktura RSC (odmiana alotropowa Fe-γ) ma mniejszą energię

• Od temperatury 1394ºC do temperatury topnienia występuje struktura RPC oznaczana Fe-α(δ) – odmiana alotropowa δ

• Żelazo δ nie ma zastosowania w technice dlatego na wykresie Fe-Fe3C często pomija się punkty BHJN

• Poniżej temperatury 770ºC jest ferromagnetyczne, powyżej – paramagnetyczne (nieużywane oznaczenie β)

Objaśnienie do układu Fe-Fe3C

• Stabilnym układem jest układ Fe-C

• Zmiany w stopach żelaza zachodzą zgodnie z układem Fe-Fe3C, który jest metastabilny, bo:

zarodkowanie grafitu jest trudne (dodatek krzemu ułatwia je)

stale zawierają mangan i siarkę, które stabilizują Fe3C

• Likwidus – krzywa ABCD na dwuskładnikowym wykresie fazowym powyżej której występuje tylko ciecz

• Solidus – krzywa AHJECF na dwuskładnikowym wykresie fazowym poniżej której stabilne są tylko fazy stałe

• Stal – stop zawierający więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka, mniej niż 2% węgla (E) oraz inne pierwiastki (stopowa więcej niż niestopowa). Stal niestopowa

zawiera mniej niż, np.

0,3% każdego z pierwiastków takich jak: Al, Co, Cr, Ni, W

0,1% każdego z pierwiastków: Bi, La (każdy), Se, Te, V

• Stopy żelaza z węglem o składzie na prawo od zawartości węgla dla punktu E nazywamy surówkami lub żeliwami

Układ równowagi żelazo-cementyt

Definicje składników strukturalnych

• ferryt α

• cementyt Fe3C

pierwszorzędowy

drugorzędowy

trzeciorzędowy

• perlit

• austenit γ

• ferryt wysokotemperaturowy δ

• ledeburyt

ledeburyt przemieniony

• mieszaniny powstające przy stałej temperaturze i składzie mają nazwy własne

inne mieszaniny, które nie mają nazw własnych – na wykresie

Roztwór stały – wszystko jest w stanie stałym

Przemiany w stopach Fe-Fe3C przy stałej temperaturze

• Perytektyczna (J) 1495ºC

δ_H + L_B ↔ γ_J

• Eutektyczna (C) 1148ºC

L_C↔ γ_E + Fe₃C

• Eutektoidalna (S) 727ºC

γ_S ↔ α_P + Fe₃C

Ferryt (α)

• Międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie α lub δ (ferryt wysokotemperaturowy) o strukturze RPC

• Prawie czyste żelazo, max 0,0218%C (P), przy temperaturze normalnej 0,008%C (Q)

• Wiedząc, że masa atomowa Fe=55,85 oraz C=12,01 można obliczyć ile procent luk oktaedrycznych zajmują atomy węgla w strukturze ferrytu

Austenit (γ)

• Międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie γ o strukturze RSC

• Największa rozpuszczalność 2,11%C (E), przy temperaturze eutektoidalnej

0,77%C (S)

• Rozpuszczalność węgla w austenicie jest znacznie większa niż w ferrycie bo

luka oktaedryczna jest większa

Cementyt Fe3C

• Węglik żelaza o rombowej strukturze krystalicznej

• Zawartość węgla 6,67% nie zależy od temperatury i wynika ze wzoru stechiometrycznego

• Pierwszorzędowy (pierwotny) wydziela się z cieczy o składzie nadeutektycznym

• Drugorzędowy (wtórny) wydziela się z austenitu z powodu zmniejszania rozpuszczalności węgla wzdłuż krzywej ES

• Trzeciorzędowy – wydziela się z ferrytu gdyż rozpuszczalność węgla zmniejsza się wzdłuż krzywej PQ

Perlit

• Mieszanina eutektoidalna ferrytu, (P) o zawartości 0,0218%C, i cementytu

• Zawiera 0,77%C

• Struktura o budowie płytkowej, podobnie jak eutektyka

• Składa się z na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości

płytek 8:1

Składniki strukturalne w stopach żelaza z węglem - podsumowanie

• Udział masowy poszczególnych faz można obliczyć przy użyciu reguły dźwigni

• Liczbę zmiennych parametrów układu można określić za pomocą reguły faz Gibbsa

• Układ Fe-Fe3C stanowi naukową bazę do analizy technologii stopów żelaza z węglem

• Rozpuszczalność węgla w ferrycie i austenicie może się zmieniać w zależności od temperatury

występuje zmiana rozpuszczalności węgla w stanie stałym

• Zawartość węgla w perlicie, ledeburycie i cementycie jest zawsze stała

• W układzie równowagi poniżej temperatury 727ºC występuje ferryt i cementyt w różnych proporcjach

wygląd i właściwości mieszaniny silnie zależy od zawartości węgla w stopie

Przyczyna zmian strukturalnych

• Przy stałej temperaturze i ciśnieniu motorem przemian jest minimalizacja energii swobodnej F

E – energia wewnętrzna

T – temperatura

S – entropia

P – ciśnienie

V – objętość

F=E-TS+PV

Zaczynamy od 78strony