PODSTAWY MATERIAŁOZNAWSTWA

Wstęp

1. Wiązania metaliczne (pierwotne między atomami)

- bezkierunkowe, silne, ruchliwy gaz elektronów swobodnych, wysoki stopień upakowania

- Materiały: plastyczność, nieprzezroczystość, połysk metaliczny, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, zdolność do emisji termo- i fotoelektronowej.

1. Wiązania jonowe (pierwotne między atomami)

- bezkierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych

- Materiały: duża oporność elektryczna i cieplna, przezroczystość, wysoka temperatura topnienia, wysoka twardość, kruchość.

1. Wiązania kowalencyjne (pierwotne między atomami) (np. diament)

- kierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych, niski stopień upakowania

- Materiały: duża oporność elektryczna, przezroczystość, bardzo wysoka temp. topnienia, wysoka twardość, kruchość.

1. Stan krystaliczny materiału

- atomy lub cząsteczki ułożone są względem siebie w sposób regularny zachowując

przestrzenną symetrię względem punktu, prostej i płaszczyzny,

- każdy atom ma jednakową liczbę najbliższych i równoodległych sąsiadów

(liczba koordynacji - lk ),

- atomy są ułożone w okresowo powtarzających się odstępach w trzech nierównoległych i

nie leżących w jednej płaszczyźnie kierunkach (sieć krystaliczna)

1. Stan amorficzny (szklisty) materiału

- stan szklisty jest stanem pośrednim pomiędzy stanem ciekłym a stałym (krystalicznym)

- teoretycznie, gdy szybkość ochładzania jest dostatecznie duża, każda ciecz może przejść w stan szklisty

- jeżeli struktura krystaliczna powstaje z trudnością w strukturze przechłodzonej cieczy (z powodu złożonej konfiguracji cząstek lub zbyt małej ruchliwości atomów i cząsteczek), wówczas lepka ciecz przechodzi stan szklisty, tzn. twardnieje i sztywnieje bez udziału krystalizacji (występuje tylko uporządkowanie bliskiego zasięgu)

- temperatura, w której lepkość cieczy osiągnie wartości około 10⁴-10⁶ Nsm^-2, związana z wyraźnym wzrostem sztywności, nazywana jest temperaturą zeszklenia T_g

- stan szklisty materiału nie jest stanem równowagi (proces krystalizacji został tylko powstrzymany)

- w niektórych materiałach (np. polimery) stan lepkiej cieczy jest oddzielony od stanu szklistego stanem wysokoplastycznym (kauczukopodobnym) – mniejsza sztywność i odwracalność odkształceń

- przykłady: polimery o łańcuchach ataktycznych, silnie rozgałęzionych, usieciowanych przestrzennie; nieskrystalizowane ceramiki (szkła); szkła metaliczne

1. Polimorfizm (alotropia) materiału

- cecha wielu metali: pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia wykazują skłonność do przebudowy sieci krystalicznej

- odmiany różniące się budową krystaliczną noszą nazwę alotropowych

- odmiany alotropowe często różnią się własnościami fizycznymi, chemicznymi, strukturą i własnościami wytrzymałościowymi

1. Anizotropia kryształu (monokryształu)

- charakterystyczna cecha kryształów odróżniająca je od mat. niekrystalicznych: zależność ich własności od kierunku krystalograficznego, w którym dana własność jest badana

- wiąże się z gęstością ułożenia atomów niejednakową we wszystkich kierunkach

- własności anizotropowe: wytrzymałość, twardość, wydłużenie, moduł sprężystości, wł. fizyczne (optyczne, magnetyczne, elektryczne i cieplne)

1. Quasi-izotropia polikryształu

- polikryształy składają się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną

- polikryształy składają się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną

- przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziaren w metalach polikrystalicznych decyduje o niemal jednakowych własnościach tych materiałów w różnych kierunkach -> quasi-izotropia

- wzrost wielkości ziaren znacznie wpływa na zwiększenie anizotropii własności metalu

1. Tekstura w polikrysztale

- odkształcenia (np. włóknista w drucie, płaska w blasze),

- wzrostu (kryształów w odlewach), - rekrystalizacji,

Defekty punktowe i liniowe w materiałach krystalicznych

1. Wakans (defekt punktowy) w krysztale

- powstaje w wyniku nieobsadzenia węzła sieci przez atom, wskutek tego sąsiednie atomy przesuwają się w kierunku pustego miejsca, co wywołuje zniekształcenie sieci i wytwarza pole naprężeń rozciągające

- może powstawać samorzutnie w wyniku drgań cieplnych atomów

- ilość (stężenie) wakansów opisuje logarytmiczna funkcja rozkładu Boltzmanna

1. Odkształcenie plastyczne w metalach

- zmiana zewnętrznego kształtu metalu pod wpływem działania sił zewnętrznych bez de kohezji, tj. pęknięć i rozwarstwień

- dwa mechanizmy: przez poślizg i bliźniakowanie

1. Linie i pasma poślizgu w kryształach metali

- linia poślizgu: ślad przecięcia się aktywnej płaszczyzny poślizgu z powierzchnią próbki (po wyjściu na nią dyslokacji); zwykle na powierzchni odkształconego monokryształu obserwuje się dużą ilość blisko położonych linii poślizgu, które przy obserwacji pod małym powiększeniem zlewają się, tworząc pasmo poślizgu

1. Płaszczyzny i kierunki łatwego poślizgu w sieciach krystalicznych metali

- płaszczyzna łatwego poślizgu: płaszczyzna krystalograficzna o największym wypełnieniu atomami

- kierunek poślizgu – kierunek krystalograficzny w którym atomy się ze sobą stykają (najgęściej wypełniony)

1. Dyslokacja krawędziowa w krysztale

- krawędź ekstra płaszczyzny, 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

1. Dyslokacja śrubowa w krysztale

- defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej

- wektor Burgersa b jest równoległy do jej linii

- wokół dyslokacji śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształcenie sieci krystalicznej

- mogą być prawoskrętne i lewoskrętne

1. Energia dyslokacji

- energia odkształceń sprężystych sieci E= α G b² (α – stała zależna od rodzaju dyslokacji, G – moduł Kirchoffa (stała sprężystości materiału), b – wektor Burgersa)

1. Ruch dyslokacji w krysztale

- poślizg (gdy w płaszczyźnie poślizgu występują naprężenia styczne)

- wspinanie (pod wpływem naprężeń normalnych do ekstra płaszczyzny) – ruch dyfuzyjny

1. Spiętrzenie dyslokacji przed przeszkodą

- wzrost oporu przeciwko dalszemu poślizgowi dyslokacji

1. Efekt umocnienia w wyniku spiętrzenia dyslokacji

- umocnienie – zjawisko wzrostu twardości i wytrzymałości oraz pogorszenie plastyczności

jest wynikiem spiętrzeń dyslokacji przed przeszkodami (granice ziaren, wydzielenia innych

faz, krzyżowanie się aktywnych systemów poślizgu, itd.)

1. Gęstość dyslokacji w polikrysztale metalu – wpływ na własności

- całkowita długość linii dyslokacji przypadająca na jednostkę objętości kryształu

- mała gęstość: materiał wyżarzony

- duża gęstość: materiał silnie zgnieciony – zmniejszone odległości między dyslokacjami – umocnienie (wzrost wytrzymałości i twardości)

Defekty płaskie w materiałach krystalicznych

1. Granice ziarn (między ziarnami tej samej fazy)

- wewnętrzne powierzchnie graniczne oddzielające dwa kryształy o takim samym składzie chemicznym, różniące się tylko orientacją krystalograficzną

- granice szerokokątowe (dużego kąta dezorientacji)

- w tym przypadki szczególne (granice specjalne):

- granice koincydentne,

- granice bliźniacze,

- granice wąskokątowe (małego kąta dezorientacji)

- wąskokątowa granica nachylona (daszkowa),

- wąskokątowa granica skręcona,

1. Wąskokątowa granica ziarn (małego kąta)

- niewielki kąt dezorientacji krystalicznej; mają budowę dyslokacyjną

- daszkowe: łączą kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym równoległym do granicy

- skrętne: powstają w miejscu połączenia kryształów o wspólnym kierunku sieci prostopadłym do granicy

1. Energia granic wąsko kątowych

- odchylenie położeń atomów w granicy od położeń równowagowych oraz mniejsza liczba atomów sąsiednich ze względu na luźniejsze ułożenie atomów powodują, że atomy w granicy mają podwyższoną energię – odniesiona do jednostki powierzchni jest nazywana energią granic ziarn

- energia granicy ma malejący przyrost ze wzrostem jej kąta dezorientacji

- jest równa sumie energii dyslokacji tworzących granicę,

- od pewnej wartości kąta Θ (zmniejszenia d) zależność staje się nieliniowa (nakładają się na siebie obszary odkształceń o rożnych znakach),

1. Szerokokątowa granica ziarn (dużego kąta)

- duży kąt dezorientacji krystalicznej

- budowa bardzo złożona i nie w pełni zbadana

- na granicach ziarn powstaje strefa miejsc koincydentnych tj. jednoczesnych, tworzących supersieć przestrzenną, nakładającą się na sieć przestrzenną sąsiadujących ze sobą ziarn

1. Energia granic szeroko kątowych

- zakłada się, że ich budowa oraz energia nie zależą od kąta Q za wyjątkiem granic specjalnych (koincydentnych i bliźniaczych),

- przyjmuje się liczbową odpowiedniość energii granicy σ (skalar) oraz napięcia powierzchniowego g (wektor),

- siły g dążą do skrócenia granicy czyli zmniejszenia energii polikryształu,

- wynosi ok. 500 mJ*m^-2

1. Bliźniacze granice ziarn

- szerokokątowa granica specjalna

- określona orientacja obu ziaren,

- idealne sprzężenie sieci wzdłuż tej samej płaszczyzny,

- bardzo mała energia granicy (łatwość powstawania),

1. Energia granic bliźniaczych

- koherentne granice bliźniacze ze względu na dobre dopasowanie atomów w granicy charakteryzują się małą energią wynoszącą od 5 do 20% energii granic szeroko kątowych

- energia niekoherentnych granic bliźniaczych wynosi ok. 75% energii granic szerokokątowych

1. Bliźniakowanie w kryształach

- kolejny mechanizm odkształcania plastycznego metali

- polega na obrocie sieci przestrzennej jednej części kryształu względem drugiej w taki sposób, że obie części kryształu przyjmują położenie symetryczne

- wynikiem końcowym jest przesunięcie względem siebie dwóch części kryształu, ale jest to suma niewielkich przemieszczeń na kolejnych płaszczyznach

1. Koherentna granica międzyfazowa (miedzy ziarnami różnych faz)

- mają budowę zbliżoną do granic szeroko kątowych

- koherentne (spójne, sprzęrzone): dobre dopasowane sieci sąsiadujących faz

- na granicy nie ma nieprawidłowości w rozmieszczeniu atomów (bardzo mała energia granicy),

- powstają w początkowych stadiach wydzielania nowej fazy (np. przy starzeniu)

- tylko wtedy gdy wydzielone cząstki są małe i mają płaskie granice

1. Półkoherentna granica międzyfazowa

- pojawia się w miarę wzrostu cząstek, ponieważ odległości międzyatomowe w obydwóch fazach nie są idealnie zgodne

- zwiększa się sprężyste naprężenie sieci – powstają dyslokacje które zmniejszają naprężenia, ale zwiększają energię granicy

1. Niekoherentna granica międzyfazowa

- liczne zaburzenia w prawidłowym rozmieszczeniu atomów (budowa podobna do szerokokątowych granic ziaren)

- kształt wydzieleń zaokrąglony (minimalizowanie energii), w środku ziarna często kulisty, na granicy soczewkowy

1. Energia granic międzyfazowych

- koherentne – bardzo mała energia pracy

- półkoherentne - odkształcenia sprężyste: E = 100 mJ/m², dyslokacje dopasowujące: E = 200-500 mJ/m²

- niekoherentne - energia zbliżona do energii granic ziarn dużego kąta (E = 1000 mJ/m²)

1. Kształt wydzieleń drugiej fazy wewnątrz ziarn pierwszej fazy (osnowy),

- kiedy granica jest niekoherentna: kuliste kryształy

- kiedy koherentna: kryształy w kształcie płytek

1. Kształt wydzieleń drugiej fazy na granicach ziarn pierwszej fazy

- przyjmują kształt zapewniający równowagę napięć powierzchniowych

- tworzą się soczewkowe kryształy

Rodzaje faz stałych w stopach

1. Warunki powstawania roztworu stałego podstawowego

- izomorficzność sieci krystalicznej składników A i B

- warunek wielkości atomów (różnice poniżej 15%, a często mniej, np. 8% w stopach Fe)

- warunek elektrochemiczny – bliskie sąsiedztwo w układzie okresowym (elektroujemność)

- warunek względnej wartościowości (wartościowość musi być równa)

1. Warunki powstawania fazy pośredniej, np. międzymetalicznej

- struktura krystaliczna faz międzymetalicznych różni się od struktury każdego ze składników

- atomy każdego ze składników wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalicznej

- w oddziaływaniach między atomami występuje przewaga wiązania metalicznego

- wzajemne stosunki ilościowe atomów składników rzadko odpowiadają wartościowościom chemicznym pierwiastków, jakie wykazują one w związkach chemicznych, chociaż fazom można przypisać wzory podobne do wzorów związków chemicznych

1. Sieć krystaliczna w roztworach stałych podstawowych (ogólnie)

Roztwory stałe można podzielić na:

- różnowęzłowe lub substytucyjne, nazywane tak ze względu na to, że atomy składnika rozpuszczonego zastępują atomy rozpuszczalnika w węzłach jego sieci krystalicznej

- międzywęzłowe, w których atomy składnika rozpuszczonego zajmują wolne przestrzenie między atomami, czyli luki międzywęzłowe w sieci krystalicznej rozpuszczalnika

1. Sieć krystaliczna w fazach pośrednich, np. międzymetalicznych (ogólnie)

- odrębność sieci krystalicznej oraz zajmowanie w tej sieci przez atomy składników tylko pewnych określonych węzłów

1. Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w roztworze stałym podstawowym,

- A: atomy metalu rozpuszczalnika, B: atomy pierwiastka rozpuszczonego

- międzywęzłowe: B są usytuowane w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu A

- różno węzłowe: B zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu A; może dojść do ekspansji lub kontrakcji sieci

1. Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w fazie pośredniej, np. międzymetalicznej

- rozmieszczenie atomów każdego ze składników w tej sieci jest uporządkowane

- A mogą zajmować węzły zarezerwowane dla B i odwrotnie

- jeśli część węzłów nie jest obsadzona są to roztwory wtórne pustowęzłowe

1. Własności roztworu stałego podstawowego są wynikiem:

- stężenia, typu sieci

1. Własności fazy pośredniej, np. międzymetalicznej są wynikiem:

- zakresu występowania na wykresie równowagi

- rodzaju dominującego wiązania między atomami

- stężenia elektronowego

- stosunku wielkości atomów

Wykresy równowagi fazowej

1. Liczba stopni swobody (reguła faz Gibasa) i jej wpływ na kształt krzywych chłodzenia i nagrzewania

- określa liczbę stopni swobody układu, tzn. liczbę zewnętrznych i wewnętrznych czynników które można zmieniać, nie powodując zmiany liczby faz f w układzie. S = n – f + 1

- stopniami swobody z są parametry określające stan termodynamiczny układu, takie jak temperatura, ciśnienie i stężenie składników, które niezależnie mogą ulegać zmianom

- dla układu dwuskładnikowego:

- gdy w stanie równowagi f = 1 -> s = 2 (temperatura i stężenie mogą ulegać zmianie)

- gdy w stanie równowagi f = 2 -> s = 1 (temperatura lub stężenie może ulegać zmianie)

- gdy w stanie równowagi f = 3 -> s = 0 (temperatura = const, stężenie = const)

- stan równowagi w przypadku f > 3 jest niemożliwy.

1. Maksymalna liczba współistniejących w równowadze faz w układzie jedno- i dwuskładnikowym

- równowaga czterech i więcej faz w układach dwuskładnikowych jest niemożliwa

- równowaga trzech faz jest możliwa tylko w jednej stałej temperaturze przy określonym stężeniu składników w fazach; liczba stopni swobody równa się zeru

- w układach jednoskładnikowych maksymalna liczba współistniejących ze sobą faz wynosi 2, tylko w ściśle określonej temperaturze, która nie może być zmieniona, gdyż jedna z faz zniknie. S=0

1. Nieograniczona rozpuszczalność składników stopu w układzie dwuskładnikowym A-B

- wykres składa się z dwóch linii ułożonych na kształt sozewki. Powyżej górnej linii, zwanej likwidusem, trwały jest roztwór ciekły L, między liniami górną i dolną trwała jest mieszanina roztworu ciekłego i stałego α, a poniżej dolnej linii zwanej solidusem, trwały jest roztwór stały α. Wykres taki można zbudować na podstawie krzywych nagrzewana i chłodzenia. Typowy dla stopów Cu-Ni

- drugi typ charakteryzuje się istnieniem minimum na linii likwidus i solidus. Wykresy te charakteryzuje się podobnie jak bez minimum. Odrębnego omówienia wymaga jedynie stop o składzie c_min. Przy tym składzie linie likwidus i solidus stykają się. Układy tego typu tworzą żelazo z chromem i wanadem, miedź ze złotem i manganem, nikiel ze złotem, palladem lub platyną i inne.

1. Ograniczona rozpuszczalność składników stopu w układzie dwuskładnikowym A-B,

2. Wydzielanie fazy drugorzędowej (przyczyny, miejsce w strukturze, wpływ na własności)

- Przyczyną powstania jest przekroczenie linii granicznej rozpuszczalności. W stopach bez eutektyki jeko faza strukturalnie wolna zwykle występuje na granicach ziaren. W stopach z eutektyką zwykle nie tworzy nowych osobnych wydzieleń lecz tylko pogrubia wydzielenia wcześniej istniejące.

1. Przemiana eutektyczna w układzie dwuskładnikowym

- ciecz o składzie punktu e (eutektycznego) ulega przy chłodzeniu rozkładowi na mieszaninę czystych składników zwaną eutektyką, a przy nagrzewaniu następuje proces odwrotny

- zgodnie z regułą faz przemiana ta przebiega w stałej temperaturze (eutektycznej), gdyż S=0

1. Eutektyka (definicja, struktura, własności)

- z greckiego „łatwo topliwy”, drobnokrystaliczna mieszanina powstała przez jednoczesną krystalizację kryształów z cieczy, drobna mieszanina dwóch faz, ma ściśle określony skład chemiczny i stałą temperaturę krzepnięcia

- drobnoziarnista struktura, co sprzyja większej jednorodności stopu

- wpływa to korzystnie na własności mechaniczne

- niska temperatura topnienia, dobra lejność, mała tendencja do pękania na gorąco, mają skoncentrowaną jamę skurczową

- są chętnie stosowane w przemyśle odlewniczym, wiele z tych stopów wykazuje własności nadplastyczne

1. Struktura i własności stopu przedeutektycznego lub zaeutektycznego (układ dwuskładnikowy)

- stop przedeutektyczny (podeutektyczny): struktura: mieszanina pierwotnie wydzielonych dużych kryształów metalu A i drobnoziarnista mieszanina eutektyczna metali A i B; stężenie c<c_E; znajduje się w nich nadmiar kadmu i jego kryształy krystalizują z cieczy począwszy od punktu 1 aż do temperatury eutektycznej

- stop zaeutektyczny (nadeutektyczny): struktura: mieszanina pierwotnie wydzielonych dużych kryształów metalu B i drobnoziarnista mieszanina eutektyczna metali A i B; stężenie c>c_E; znajduje się w nich nadmiar bizmutu w stosunku do stopu eutektycznego, krzepnięcie rozpoczyna się od wydzielenia się z cieczy kryształów tego składnika

Przemiany fazowe

1. Energia swobodna F (Hemholtza) – uniwersalne kryterium równowagi

- w przypadku równowagi w dowolnym układzie, w którym temperatura i objętość są ustalone, funkcja energii swobodnej Helmholtza F, zwana także potencjałem termodynamicznym, osiąga swoje minimum:

F = E – TS (E – energia wewnętrzna, T – temperatura bezwzględna, S – entropia)

- kryterium równowagi to osiągnięcie minimalnej F, tzn. każdy układ dąży do jak największej E (jak najsilniejsze siły oddziaływania między atomami, cząstkami) i jak najwyższej S (jak najmniejsze uporządkowanie)

1. Energia wewnętrzna E w wyrażeniu na energię swobodną

- suma energii potencjalnej, tj. energii wzajemnego oddziaływania, i energii kinetycznej wszystkich atomów układu. W kryształach znaczna część energii wewnętrznej wiąże się z drganiami atomów w sieci. Amplituda drgań wzrasta wraz z podwyższeniem temperatury, powodując wzrost energii wewnętrznej ∆E:

∆E = ∆Q + ∆L (∆Q – przyrost ciepła, ∆L – przyrost pracy)

1. Człon TS w wyrażeniu na energię swobodną (druga zasada termodynamiki)

- natura dąży ze stanów mniej prawdopodobnych (mniej powszechnych, o mniejszej liczbie możliwych rozmieszczeń, bardziej uporządkowanych) do stanów bardziej prawdopodobnych, tzn. o większej entropii (mniej uporządkowanych, bardziej powszechnych)

1. Warunek konieczny przemiany fazowej, np. krzepnięcia

- przechłodzenie cieczy

- powstanie w cieczy zarodków krystalizacji

- rośnięcie tych zarodków i powstanie krystalitów

1. Wielkość krytyczna zarodka (zarodkowanie jednorodne) zależy od:

- przechłodzenia (ze wzrostem przechłodzenia maleje promień zarodka krytycznego)

1. Energia aktywacji przemiany (konieczna do pokonania bariera energetyczna)

- energia potrzebna do utworzenia zarodka krytycznego

- oddziela stan ciekły od stanu krystalicznego o mniejszej energii swobodnej

- im większe przechłodzenie, tym mniejsza jest energia potrzebna do utworzenia zarodka

1. Szybkość zarodkowania (LZ) – dlaczego krzywa LZ = f(ΔT) ma maksimum

- $LZ = A\exp\left( - \frac{F_{\text{kr}}}{\text{RT}} \right) \bullet exp( - \frac{E}{\text{RT}})$

- na wykresie czynnik pierwszy rośnie ze wzrostem przechłodzenia począwszy od zera w teoretycznej temperaturze krystalizacji (∆F_kr = ∞)

- drugi czynnik maleje ze spadkiem temperatury, bo ∆E jest stałe, a mianownik RT maleje. Ruchliwość atomów maleje, a lepkość cieczy szybko rośnie utrudniając i następnie uniemożliwiając powstawanie zarodków. W niskich temperaturach drugi czynnik staje się praktycznie równy zeru

- liczba zarodków będzie się zatem zmieniała w ten sposób, że w pewnej temperaturze niższej niż T₀ wykaże maksimum

1. Kiedy zachodzi przypadek zarodkowania niejednorodnego

- gdy w ośrodku ciekłym istnieją nierozpuszczone cząstki fazy stałej na której może się osadzać faza macierzysta

1. Warunek aktywności (katalitycznego działania) podkładki

- σ_PS < σ_SL

- $cos\theta = \frac{\sigma_{\text{LP}} - \sigma_{\text{PS}}}{\sigma_{\text{SL}}}$

- σ – energia powierzchni granicznej między: LP – cieczą i podkładką (ciałem obcym), PS – podkładką i powstającym kryształem, SL – powstającym kryształem i cieczą

1. Modyfikowanie przemian fazowych – dwa sposoby działania modyfikatorów

- wprowadzenie do skrzepniętych metali w stanie ciekłym, substancji zapewniających powstanie odpowiednio aktywnych cząstek np. tlenków, azotków, węglików

- wprowadzenie niektórych pierwiastków, które nie tworzą trudno topliwych cząstek lecz rozpuszczają się w ciekłym metalu. Podczas krystalizacji atomy tych pierwiastków gromadzą się na powierzchniach granicznych ciecz-ciało stałe i zmieniają energię powierzchniową. Są stosowane szczególnie w celu zmiany kształtu ziarn w stopach dwufazowych)

1. Liniowa szybkość wzrostu kryształu (drugi etap krystalizacji) zależy od:

- prawdopodobieństwa powstania płaskiego zarodka, a tym samym od częstości zarodkowania

- obecności dyslokacji śrubowej

- przechłodzenia

1. Parametry i kształt krzywej kinetyki krystalizacji

- kształt litery S

- ma różne nachylenie w zależności od przechłodzenia

- to funkcja stopnia przemiany od czasu

1. Od jakich parametrów i czynników zależy wielkość ziarna po krystalizacji

- rozmiar ziarn jest wprost proporcjonalny do szybkości wzrostu, a odwrotnie proporcjonalny do liczby zarodków

1. Krystalizacja dendrytyczna zachodzi gdy:

- gradient temperatury w cieczy jest ujemny

- na granicy międzyfazowej powstanie jakaś wypukłość

1. Segregacja dendrytyczna polega na

- zróżnicowaniu składu chemicznego wewnątrz jednego dendrytu

- powstaje podczas krystalizacji stopów i nasila się w miarę wzrostu odległości między likwidusem a solidusem

Układ żelazo-cementyt

1. Odmiany alotropowe czystego żelaza

- α, w temp niższej od 912st.C. i między 1394-1538st.C.; krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego A2; w temp niższej niż 770st.C jest ferromagnetyczne, a w wyższej paramagnetyczne

- γ, w temp 912-1394 st.C.; o sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1

1. Ferryt – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C

- α=Fe_α(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A2 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

- atomy węgla zajmują luki oktaedryczne w przestrzennie centrowanej, regularnej sieci żelaza α

- mała zawartość węgla, własności bardzo zbliżone do czystego żelaza : wytrzymałość na rozciąganie (R_m) 300MPa, granica plastyczności (R_0,2) 150MPa, wydłużenie (A₁₀) 40%, udarność (K) 1765 kJ/m², twardość 90HB

- występowanie na wykresie: do temp 910 i między 1391 do 1536

1. Austenit – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C

- γ = Fe_γ(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A1 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

-w regularnej płasko centrowanej sieci żelaza γ węgiel zajmuje luki oktaedryczne

- rozpuszczalność węgla jest większa niż w ferrycie i wynosi w temp. 1147 – 2,06% i maleje wraz z obniżeniem temperatury

-własności: wytrzymałość na rozciąganie (R_m) 750MPa, granica plastyczności (R_0,2) 350MPa, wydłużenie (A₁₀) 40-60%, udarność (K) 900 kJ/m², twardość 180-200HB

- jest paramagnetyczny

- na wykresie występuje od temp. 910 do 1391 przy osi, następnie od 700 do 1495 przy większej zawartości węgla

1. Cementyt – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C,

- Fe₃C - metastabilny węglik żelaza (faza pośrednia, międzymetaliczna, międzywęzłowa złożona)

- w skład komórki elementarnej wchodzi 12 atomów żelaza i 4 atomy węgla

- krystalizuje w sieci rombowej o stałych sieciowych a=0,45144nm, b=0,50787nm i c=0,67297nm

- faza twarda (800HB) i krucha, wykazuje wiele cech metalicznych w tym metaliczny połysk (bo przeważają wiązania metaliczne)

- w temp otoczenia jest słabo ferromagnetyczny; ma zdolność rozpuszczania wielu metali, np. manganu, chromu

1. Przyczyna wydzielania się cementytu trzeciorzędowego – zakres występowania jako fazy strukturalnie wolnej

- malejąca z obniżeniem temperatury rozpuszczalność węgla w żelazie Fe-α wzdłuż linii PQ

- najwięcej cementytu trzeciorzędowego może się wydzielić w stopie zawierającym 0,0218% C, ale jego ilość jest mała, wynosi 0,2%

1. Przemiana alotropowa (temperatura A₃) w stopach układu Fe-Fe₃C

- stop III podobnie jak wszystkie stopy zawierające mniej niż 0,1% węgla jest zbudowany po skrzepnięciu z samych kryształów ferrytu δ. W ferrycie tym począwszy od punktu 7 rozpoczyna się przemiana alotropowa i powstający austenit ma skład punktu 7”. W miarę dalszego obniżania temperatury przybywa austenitu a ubywa ferrytu δ. Jednocześnie wskutek większej rozpuszczalności węgla w austenicie dyfunduje on z ferrytu do austenitu, a jego stężenie w ferrycie δ zmniejsza się wzdłuż linii HN od punktu 7 do 8’. W austenicie zawartość węgla zmienia się wzdłuż linii JN od punktu 7” do 8. Przemiana Fe_δ(C) -> Fe_γ(C) kończy się w punkcie 8. (rys. 172 str. 221, Haimann)

1. Przemiana eutektoidalna (temperatura A₁) w stopach układu Fe-Fe₃C

- przebiega zgodnie ze wzorem γ_S = α_P + Fe₃C

- oznacza to, że przy chłodzeniu austenit o składzie punktu S (0,77% C) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektoidalną ferrytu α o składzie punktu P (0,0218% C) i cementytu, zwaną perlitem

- przemiana ta występuje we wszystkich stopach o zawartości węgla wyższej od punktu P- także austenit w ledeburycie przemienia się w perlit i powstaje ledeburyt przemieniony. (rys 10.2 str.199, Przybyłowicz)

1. Perlit – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własności

- eutektoid złożony z ferrytu i cementytu

-powstaje z austenitu w temp eutektoidalnej (727st.C.)

-jest zbudowany z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1

-dyspersja perlitu (odl. między płytkami) jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temp A1

- własności mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji, tzn. wytrzymałość i twardość rosną w miarę rozdrabniania struktury i wynoszą: R_m=700-800 MPa, R_e=400MPa, twardość ok. 180-220 HB, a własności plastyczne maleją: A₁₀=8% i udarność KC=40 J/cm²

- pod mikroskopem przy małych powiększeniach, po trawieniu nitalem perlit przybiera wygląd szarych, perlistych obszarów, co było przyczyną jego nazwy

- przy większych powiększeniach widoczna jest wyraźnie budowa płytkowa

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,01 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+Fe₃C_III

- ferryt z wydzieleniami Fe₃C_III na granicach ziaren

- stal konstrukcyjna najczęściej umacniana odkształceniowo, np. gwoździe, wkręty, elementy karoserii pojazdów itp.

- przyśpieszone chłodzenie zabezpiecza zwykle przed wydzieleniami cementytu – ferryt lekko przesycony węglem

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+perlit

- zdecydowana przewaga udziału ferrytu nad perlitem

- wysoka ciągliwość ale niska wytrzymałość

- górna granica %C zapewniająca łatwą spawalność stali

- struktura stali konstrukcyjnych (łatwo spawalnych)

(podwyższanie wytrzymałości w inny sposób niż przez wzrost %C)

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,4 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+perlit

- około pół na pół strukturalnie wolnego ferrytu i perlitu

- optymalne skojarzenie wytrzymałości i ciągliwości

- struktura wyjściowa stosowana na części maszyn

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,6 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit+ferryt

- strukturalnie wolny ferryt (na granicach ziaren byłego austenitu) podwyższa ciągliwość oraz zdolność do odkształceń plastycznych i obniża wskaźniki wytrzymałościowe

- struktura wyjściowa na sprężyny, lemiesze pługów, szyny kolejowe, itp.

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,8 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit (stal przeznaczona zwykle na narzędzia po dalszej obróbce cieplnej)

- płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu (grubości płytek 7:1)

- dyspersja i właściwości zależą od szybkości chłodzenia

- w jednym ziarnie austenitu powstaje bardzo wiele różnie zorientowanych w przestrzeni kolonii perlitu

- własności: patrz perlit

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 1,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit+Fe₃C_II- (stal zaeutektoidalna, przeznaczona zwykle na narzędzia, ale po odpowiedniej obróbce cieplnej stanu wyjściowego i końcowego

- Fe₃C_II wydziela się na granicach ziaren austenitu oraz może utworzyć ciągłą i kruchą otoczkę (siatkę)

- siatka cementytu dyskwalifikuje każdy użytkowy wyrób

- usuwanie siarki cementytu wymaga długotrwałego wyżarzania sferoidyzującego (wydzielenia kulkowe Fe₃C)

1. Przemiana eutektyczna (temperatura 1147 ^oC) w stopach układu Fe-Fe₃C

- zachodzi przy temp 1147st.C., w stopach zawartych między punktami E (2,11% C) i F (6,67% C)

- polega na tym, że przy chłodzeniu roztwór ciekły o składzie C (4,3%) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektyczną złożoną z austenitu o składzie punktu E i cementytu, zwaną ledeburytem

- wzór: L_C = γ_E + Fe₃C

1. Ledeburyt – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje)

- mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu

- powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3% C

- składnik surówek (żeliw) białych

- znaczna twardość (ok. 450HB) i kruchość

- występuje w niektórych narzędziowych stalach stopowych

1. Ledeburyt przemieniony – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własności

- mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu z ledeburytu w perlit, trwała poniżej temperatury 727st.C.

- składa się z dwóch faz, ferrytu (35% masy) i cementytu

- 40% perlitu i 60% Fe₃C

- ze względu na znaczny udział cementytu, jest kruchy i twardy, a ego twardość wynosi orientacyjnie powyżej 450HB

1. Struktura i własności żeliwa białego przedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- stop podeutektyczny (ok. 3,5% C) w temp<727st.C.

- dendrytycznie rozłożony perlit (dendryty austenitu powyżej 727st.C.) na tle ledeburytu przemienionego (cementyt drugorzędowy wyraźnie pogrubia cementyt eutektyczny wokół dendrytów byłego austenitu

- własności: struktura twarda (450-600HB, R_m=300-450MPa), odporna na ścieranie ale krucha oraz źle obrabialna

- zastosowanie ograniczone: półprodukt przy wytwarzaniu żeliwa ciągliwego (z grafitem klaczkowym)

Niektóre elementy odporne na ścieranie ale kruche

Zabielone fragmenty powierzchni odlewów z żeliw szarych (część węgla w postaci grafitu)

1. Struktura i własności żeliwa białego eutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- stop eutektyczny (4,3% C) – ledeburyt przemieniony ( w temp<727st.C.)

- ciemny perlit, który powstał z austenitu (składnika ledeburytu)

- jasny cementyt (drugi składnik ledeburytu)

- wydzielający się cementyt drugo- i trzeciorzędowy nie tworzy osobnych, strukturalnie wolnych wydzieleń (lokalnie pogrubiają się już wcześniej istniejące wydzielenia cementytu)

- własności: jak przedeutektyczne

1. Struktura i własności żeliwa białego zaedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

- stop nadeutektyczny (powyżej 4,3% C) w temp<727st.C.

- cementyt pierwszorzędowy (pierwotny) na tle ledeburytu przemienionego (niewielka ilość cementytu drugorzędowego oraz znikoma trzeciorzędowego – praktycznie niewidoczne)

- duże płytki kruchego cementytu pierwotnego uniemożliwiają zastosowanie takiego żeliwa

- struktura spotykana w surówkach na wstępnych etapach produkcji stopów żelaza

Żeliwa z grafitem (żeliwa szare)

1. Grafit i jego wpływ na właściwości żeliw – porównanie wpływu kształtu wydzieleń grafitu

- grafit jest odmianą alotropową węgla, która krystalizuje warstwowo w sieci typu heksagonalnego

- własności mechaniczne są bardzo małe i z tego względu jego wydzielenia w żeliwie można traktować jako nieciągłości osnowy metalowej, w której są rozmieszczone. Mimo że osnowa ta wykazuje podobne mikrostruktury jak stale, to własności mechaniczne żeliw są z reguły mniejsze. Zależą one w dużej mierze od postaci w jakiej występuje grafit oraz od sposobu rozmieszczenia jego wydzieleń.

- płatki: zmniejszają efektywny przekrój i zwiększają średnią wartość naprężeń rzeczywistych i to tym silniej, im płatki są cieńsze i dłuższe; wokół płatków grafitu następuje spiętrzenie naprężeń; żeliwo szare z grafitem płatkowym wykazuje niewielką wytrzymałość na rozciąganie R_m i bardzo małą plastyczność (0,5%); podobnie zmieniają się te własności, przy których występują naprężenia rozciągające; w wypadku naprężeń ściskających wpływ grafitu i postaci jego wydzieleń jest niedostrzegalny; wytrzymałość na rozciąganie: korzystniejszy jest grafit płatkowy w postaci krótkich, grubych wydzieleń

- kłaczki: jeszcze korzystniejszy z punktu widzenia wytrzymałości na rozciąganie – jego wydzielenia są bardziej zwarte, a przez to bardziej oddalone od siebie

- kulki: najkorzystniejsze; taka postać grafitu mało zmniejsza przekrój osnowy metalowej, a w dodatku prawie zanika działanie karbu

- im mniej jest wydzieleń grafitu, im są one mniejsze i bardziej oddalone od siebie, tym większa jest wytrzymałość żeliwa szarego

1. Modyfikowanie żeliw z grafitem - cel stosowania oraz grupy i działanie modyfikatorów (ogólnie)

- żeliwa gatunków Z1250, Z1300, Z1350 i Z1400 zawdzięczają większą wytrzymałość na rozciąganie modyfikowaniu, w wyniku którego grafit występuje w postaci drobnych płatków, równomiernie rozłożonych w perlitycznej osnowie metalowej

- modyfikatory wprowadza się do żeliwa ciekłego na rynnę spustową lub do kadzi, tak by się możliwie szybko rozpuściły

- działanie: - mogą one tworzyć związki spełniające rolę niejednorodnych zarodków, na których krystalizuje grafit

- ich atomy mogą gromadzić się na powierzchni międzyfazowej i hamować rośnięcie grafitu

- modyfikowanie wpływa korzystnie na wytrzymałość żeliw, gdyż płatki grafitu są niedługie, dość grube, a ich końce są tępe; modyfikatory tworzą bowiem nie tylko zarodki, ale w pewnym stopniu hamują także wzrost płatków grafitu

- najczęściej stosowany w kraju modyfikator: krzem w postaci żelazokrzemu zawierającego ok. 75% Si, który dodaje się w postaci rozdrobnionej, często łącznie z aluminium; lepsze: stopy krzemu i wapnia zawierającego do 25% Ca (droższe i trudne do magazynowania)

1. Steadyt (eutektyka fosforowa) – budowa, wpływ na własności

- fosfor zawarty w żeliwach rozpuszcza się częściowo w trwałym w danych warunkach roztworze stałym, tj. w austenicie lub ferrycie, ale większa jego część zawarta jest w potrójnej eutektyce fosforowej [Fe_α(C)+Fe₃C+Fe₃P] zwanej steadytem

- eutektyka ta ma stosunkowo niską temperaturę krzepnięcia (953st.C.) -> dzięki temu żeliwa o większej zawartości fosforu (>0,5%) są rzadkopłynne i dobrze wypełniają skomplikowane formy

- wykazuje charakterystyczne, wklęsłe granice w kształcie łuków

- gdy zawartość fosforu jest mała, wtedy występuje w postaci izolowanych wtrąceń, ale gdy zawartości fosforu są większe niż 0,7%, tworzą dobrze ukształtowaną siatkę

- ze względu na twardość fosforku żelaza i cementytu, eutektyka jest twarda (700-800HB) i krucha

1. Wpływ osnowy ferrytycznej na własności żeliw z grafitem (przy tej samej postaci grafitu)

- twardość: 115-150HB, wydłużenie 0,5%

1. Wpływ osnowy perlitycznej na własności żeliw z grafitem (przy tej samej postaci grafitu)

- najlepsze własności mechaniczne, największa wytrzymałość

- twardość: 220-240HB, wydłużenie 0,2%

1. Wpływ zawartości węgla i krzemu na grafityzację i osnowę metaliczną żeliw z grafitem

- ze wzrostem zawartości węgla polepsza się lejność żeliw, tj. zdolność do wypełniania form i maleje skurcz; jednocześnie zwiększa się skłonność do wydzielania się węgla w postaci grafitu – ma to wyraźny wpływ na własności mechaniczne, ale polepsza się skrawalność, zwiększają własności ślizgowe i zdolność do tłumienia drgań; ma właściwości grafityzujące silniejsze niż krzem

- krzem ma bardzo duży wpływ na grafityzację i sprzyja występowaniu węgla w postaci wolnej – grafitu; rozszerza on zakres temperatur, w którym grafit może się wydzielać bezpośrednio z cieczy; wzrost zawartości krzemu w żeliwie powoduje zmniejszenie się ilości węgla związanego, a przez to zmianę struktury osnowy metalowej (rys. 198 str. 272, Haimann)

1. Wpływ grubości ścianki odlewu (tzn. szybkości chłodzenia) na strukturę żeliw z grafitem

- zależnie od szybkości chłodzenia grafit może być bardzo drobny – punktowy, może tworzyć charakterystyczne gwiazdkowe skojarzenia płatków lub być rozmieszczony międzydendrytycznie

- w miarę wzrostu grubości ścianek i zmniejszania się szybkości chłodzenia grafit będzie płatkowy, coraz dłuższy i grubszy, a w osnowie metalowej będzie wzrastać udział ferrytu (rys. 201 str. 275, Haimann)

1. Porównanie własności żeliw z grafitem (płatkowym lub sferoidalnym) z własnościami stali i staliwa

- żeliwa sferoidalne: R_m=350-900 MPa, R_e=220-600MPa, twardość 150-360HB

- staliwa konstrukcyjne: R_m=450-1300 MPa, R_e=200-340MPa, twardość 120-600HB

- staliwa stopowe: R_m=400-650 MPa, twardość 150-350HB

Stopy aluminium

1. Aluminium i jego stopy w porównaniu z żelazem i stopami żelaza charakteryzuje się:

(porównanie temperatury topnienia, gęstości, modułu Younga, wytrzymałości, odporności na korozję, itp.)

- temp topnienia 606,4st.C. (dla żelaza 1535st.C.), gęstość 2,4g/cm³ (3 razy mniejsza niż żelaza), moduł Younga 70GPa (dla żelaza 208GPa), wytrzymałość R_m=45MPa, max w stopach 750MPa (żelazo: R_m=70Mpa, max w stopach 2500MPa), duża odporność na korozję

1. Podwyższanie wytrzymałości w stopach Al do obróbki plastycznej nie utwardzanych wydzieleniowo

- mangan w niewielkim stopniu polepsza własności mechaniczne (zawartość w stopie ok. 1,5%)

- magnez polepsza wytrzymałość, nie zmniejszając zbytnio plastyczności

1. Idea metody utwardzania wydzieleniowego stopów Al do obróbki plastycznej polega na:

- przesycaniu – mającego na celu otrzymanie przesyconego roztworu stałego. Dokonuje się przez nagrzanie stopu powyżej linii zmiennej rozpuszczalności i szybkie oziębianie w wodzie

- starzeniu – wytrzymaniu przesyconego elementu w temp pokojowej (starzenie naturalne lub samorzutne) albo podwyższonej (starzenie przyspieszone) w czasie potrzebnym do wydzielenia dyspersyjnych cząstek

(rys 15.7 i 15.8, str.363-4, Przybyłowicz)

1. Wytrzymałość i ciągliwość stopów odlewniczych Al-Si (siluminów) zależy od

- rodzaju (podeutektyczne, eutektyczne, nadeutektyczne) – większą ciągliwość mają podeutektyki, eutektyki mają zmniejszone właściwości mechaniczne

- modyfikacji (dodatek sodu, fosforu, strontu zwiększa wytrzymałość i wydłużenie)

- dodatek magnezu i miedzi umożliwia stosowanie utwardzania wydzieleniowego drogą przesycenia i starzenia

1. Struktura i własności siluminów eutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si)

- punkt eutektyczny: 11,7% krzemu, 577st.C.

- mieszanina roztworu stałego α i kryształów krzemu, ale jest gruboziarnista, a w osnowie roztworu stałego są rozmieszczone iglaste kryształy krzemu

- maksymalna rozpuszczalność krzemu w aluminium wynosi 1,65% i szybko maleje ze spadkiem temperatury

- zmienna rozpuszczalność stwarza możliwość obróbki cieplnej tych stopów, ale jej efekty są niewielkie; dwuskładnikowych siluminów nie obrabia się cieplnie

- niewielkie własności mechaniczne: R_m=140-160MPa, wydłużenie 3%

1. Struktura i własności siluminów przedeutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si)

- zawierają 4-10% krzemu oraz dodatki miedzi, magnezu i manganu

- składają się z pierwotnych kryształów roztworu stałego α na tle eutektyki

1. Struktura i własności siluminów zaeutektycznych (stopy odlewnicze Al-Si)

- duże, wielokątne kryształy pierwotne krzemu, które są rozmieszczone w eutektyce z iglastymi kryształami krzemu

- mała wytrzymałość, mała rozszerzalność cieplna, dobra odporność na ścieranie i mały współczynnik tarcia; ich własności wytrzymałościowe w podwyższonych temperaturach są dość dobre

1. Modyfikowanie siluminów przedeutektycznych ma na celu:

- obniżenie temperatury przemiany eutektycznej oraz przesunięcie punktu eutektycznego w prawo ku wyższej zawartości krzemu (ok. 13%)

- w wyniku tego R_m rośnie z 110 do 250MPa, a wydłużenie z 1% do 8%

1. Stopy Al z miedzią jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

- dobra lejność, stosunkowa niska wytrzymałość

1. Stopy Al z magnezem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

- dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne (R_m=280MPa, A₅=8%), niezbyt dobra lejność, ale nadaje się na odlewy ciśnieniowe

- duża odporność na działanie wody morskiej

1. Stopy Al z cynkiem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

(dural cynkowy)

- osiąga jeszcze wyższą wytrzymałość niż durale bezcynkowe (R_m=600-700MPa, R_e=500-550MPa, A₅=12%, twardość 150HB), temp przesycenia wynosi 470st.C., a starzenia 120-140st.C.

1. Stopy Al z litem jako głównym dodatkiem charakteryzuje:

- mniejsza gęstość stopów o ok. 8-10%

- wytrzymałość równa lub większa w porównaniu z duralami klasycznymi

- dobra odporność na zmęczenie, dobra udarność w niskich temperaturach

Polimery

1. Makrocząsteczka polimeru o strukturze liniowej

- silne wiązania kowalencyjne w łańcuchu

- między łańcuchami słabe wiązania wtórne

- są termoplastyczne, dają się łatwo wciągać w wysokowytrzymałe włókna, jak np. poliamidy

- polietylen, polichlorek winylu, polipropylen oraz polistyren

- ciągliwe i elastyczne, ze wzrostem temperatury miękną

- rozpuszczają się w organicznych rozpuszczalnikach, można je łatwo utylizować przez przetopienie i ponowne uformowanie

- ze wzrostem stopnia polimeryzacji (długości łańcuchów) wytrzymałość i ich temperatura mięknięcia wzrasta

1. Makrocząsteczka polimeru o strukturze rozgałęzionej

- łańcuchy rozgałęzione, ale między nimi nadal tylko słabe wiązania wtórne

- struktura pośrednia między liniowymi a usieciowanymi

- rozgałęzienie zmniejsza tendencję do krystalizacji i zapobiega gęstemu upakowaniu łańcuchów, a więc powoduje obniżenie wytrzymałości polimerów

- zastąpienie atomów wodoru w łańcuchu grupami atomów (metyl, benzen) prowadzi do zwiększenia wytrzymałości polimeru; zastąpienie atomów wodoru atomami fluoru (teflon) zwiększa temperaturę topnienia

1. Makrocząsteczka polimeru i strukturze przestrzennie usieciowanej

- amorficzne i kruche

- silne wiązania kowalencyjne również między łańcuchami

- powstają z monomerów, mających więcej niż dwa aktywne wiązania, w wyniku czego powstają cząsteczki dwu- lub trójwymiarowe

- utworzona w ten sposób silna struktura zapobiega mięknięciu tych materiałów podczas podgrzewania i decyduje o tym, że stanowią polimery utwardzalne (duroplasty)

- żywice: fenolowo-formaldehydowa (bakelit), epoksydowa i poliestrowa

1. Polimer w stanie amorficznym (bezpostaciowym)

- większość polimerów ma taką strukturę

- długie cząsteczki są pozwijane podobnie jak kawałki sznurka znajdujące się w worku

1. Polimer w stanie krystalicznym (częściowo krystalicznym)

- większa gęstość, wyższa temperatura topnienia i wytrzymałość, mniejsza przezroczystość

1. Polimery termoplastyczne (termoplasty)

- polistyren, poliamidy alifatyczne (np. nylon), PCW, polimetakrylan metylu, polietylen, polipropylen, policzterofluoroetylen, polioctan winylu i azotan celulozy, kopolimery

- liniowa, a niekiedy również rozgałęziona budowa makrocząsteczek; między cząsteczkami nie ma wiązań sieciujących – działają tylko słabe wiązania wtórne

- zmiana własności termoplastów przy wzroście temperatury: podczas ogrzewania miękną i płyną jak lepka ciecz, po ochłodzeniu twardnieją ponownie

- można je łatwo i wielokrotnie formować

- są rozpuszczalne

1. Duroplasty (chemo- lub termoutwardzalne)

- są wytwarzane w dwóch etapach: najpierw wytwarza się cząsteczki liniowe, a następnie, po uformowaniu wyrobu, doprowadza się do powstania między cząsteczkami kowalencyjnych wiązań sieciujących

- tworzenie takich wiązań jest możliwe dzięki istnieniu w cząsteczkach linowych wiązań podwójnych lub grup funkcyjnych, przy czym może ono zachodzić bezpośrednio lub za pośrednictwem utwardzacza.

- utwardzanie duroplastów następuje w wyniku powstawania wiązań sieciujących, zatem utwardzone duroplasty są nierozpuszczalne, a po ogrzaniu nie przechodzą w stan ciekły, lecz przy nadmiernym ogrzaniu następuje ich rozkład

Kompozyty o osnowie polimerowej

1. Porównanie własności włókien szklanych oraz włókien węglowych

- Szkło E: E=76-79 GPa, R_m=3100-3800 MPa, wydłużenie 4,8%, max temperatura pracy 500st.C.

- szkło S: E=88-91 GPa, R_m=4400 MPa, wydłużenie 5,7%, max temperatura pracy 750st.C.

- kwarc: E=69 GPa, R_m=3400 MPa, wydłużenie 5%, max temperatura pracy 1050st.C.

- włókna węglowe: Panex: E=228 GPa, R_m=3600 MPa, wydłużenie 1,5%, max temperatura pracy 500st.C.

Torayca: E=294 GPa, R_m=7100 MPa, wydłużenie 2,4%, max temperatura pracy 500st.C.

Thornel: E=966 GPa, R_m=3100 MPa, wydłużenie 0,3%, max temperatura pracy 500st.C.

1. Porównanie modułu Younga stali, stopów Al, włókien szklanych i węglowych

- stale: 190-210 GPa

- stopy Al: 69 GPa

- włókno szklane: 69-91 GPa

- włókno węglowe: 228-966 GPa

1. Porównanie własności kompozytów wzmacnianych włóknami krótkimi oraz ciągłymi

- wytrzymałość kompozytu rośnie ze wzrostem stosunku l/d

- im mniejsza średnica, tym większa wytrzymałość

- długie włókna są korzystne, gdyż końce włókien przenoszą mniejsze obciążenia

- krytyczna długość włókna do średnicy: $l_{k} = \frac{R_{m}^{w}d}{\tau_{k}}$ , gdzie R_m^w- wytrzymałość na rozciąganie włókien, τ_k- wytrzymałość wiązania między włóknem a osnową lub naprężenie przy którym następuje odkształcenie plastyczne osnowy

- ze wzrostem długości włókna umocnienie kompozytu staje się bardziej efektywne, gdyż rośnie odcinek włókna przenoszący obciążenie maksymalne

- włókna o długości mniejszej niż l_k są nieefektywne

1. Porównanie cech kompozytów o osnowie termoplastycznej oraz duroplastycznej (wzmocnienia włóknami)

- termoplastyczne: wzmocnienie krótkim włóknem szklanym; wzmocnienie cząstkami napełniaczy mineralnych (np. kulki szklane); wzmocnienie mieszane

1. Formowanie kompozytów metodą BMC (bulk molding compounds)

- wzmocnienie ciętym włóknem szklanym i/lub napełniaczami mineralnymi

1. Formowanie kompozytów metodą SMC (sheet molding compounds)

- wzmocnienie ciętym włóknem szklanym

Kompozyty o osnowie metalowej

1. Najczęściej stosowana osnowy metaliczne w kompozytach MMCs (metal-matrix composites)

- aluminium, aluminium-lit, magnez i tytan

1. Najczęściej stosowane wzmocnienia w kompozytach MMCs (metal-matrix composites)

- włókna grafitowe, tlenku aluminium, węglika krzemu, boru z berylem i wolframem

1. Najczęściej stosowane metody formowania kompozytów MMCs (metal-matrix composites)

- metoda infiltracji

- metoda mieszania

- metoda metalurgii proszków

1. Porównanie wad i zalet stopów odlewniczych Al (siluminów) oraz kompozytów wzmacnianych cząstkami

SiC na osnowie tych stopów

- kompozyty wzmacniane cząstkami SiC są zdecydowanie bardziej odporne na zginanie (450-830 MPa) i na pękanie (10-55 MPa * m^1/2)

1. Dlaczego kompozyty MMCs wzmacniane włóknami, szczególnie ciągłymi nie są jeszcze powszechnie

stosowane

Materiały ceramiczne

1. Cechy (właściwości) charakterystyczne materiałów ceramicznych

- twarde i odporne na ścieranie, kruche, duża wytrzymałość na ściskanie ale mała na rozciąganie, wysoka temperatura topnienia, mała przewodność cieplna i elektryczna, dobra stabilność chemiczna i cieplna

1. Kruchość materiałów ceramicznych jest efektem:

- kowalencyjnego i jonowego charakteru wiązań

1. Mikrostruktura ceramiki inżynierskiej

- pory osłabiają materiał, ale przy zaokrąglonym kształcie koncentracja naprężeń nie jest zbyt duża

- najbardziej szkodliwe są mikropęknięcia występujące w większości ceramik

1. Do materiałów ceramicznych zaliczamy:

- ceramiki krystaliczne (tradycyjne krzemiany, wiele tlenków, związki nie zawierające tlenu (azotki, węgliki, borki)

- szkła

- ceramikę szklaną (dewitryfikaty)

1. Tlenek aluminium Al₂O₃ charakteryzuje się:

- dobrą wytrzymałością i sztywnością

- dobrą twardością i odpornością na ścieranie

- dobrą odpornością na korozję, także w wysokich temperaturach

- dobrą stabilnością temperaturową

- znakomitymi własnościami dielektrycznymi

1. Tlenek cyrkonu ZrO₂ charakteryzuje się:

- wysoką odpornością na kruche pękanie

- rozszerzalnością cieplną podobną do żeliwa (wyższa niż Al₂O₃)

- skrajnie wysoką wytrzymałością na ścieranie i korozję

- niską przewodnością cieplną

- przewodnictwem jonów tlenu

- bardzo dobrymi własnościami tribologicznymi (np. pierścienie ślizgowe)

1. Podwyższanie odporności na pękanie ceramiki Al₂O₃ wydzieleniami ZrO₂ polega na:

- przemianie martenzytycznej cząstek ZrO₂

1. Węglik krzemu SiC charakteryzuje się:

- bardzo wysoką twardością

- wysoką odpornością na ścieranie

- wysoką wytrzymałością i odpornością na korozję także w wysokich temperaturach (powyżej 1300st.C.)

- niskim współczynnikiem tarcia

- bardzo wysoką przewodnością cieplną (do 5x większą niż Al₂O₃), podobną do stopów Al., około 2x wyższą niż żeliwo

1. Mechanizmy wzmocnienia ceramicznych materiałów kompozytowych

- wzmocnienie dyspersyjne

- wzmocnienie przemianą

- wzmocnienie włóknami krótkimi – wiskerami

- wzmocnienie włóknami długimi

1. Porównanie charakterystycznych właściwości metali i materiałów ceramicznych

- stal: ρ=7,8g/cm³, wytrzymałość na ściskanie 360-700 MPa, E=200 GPa, twardość 200-400HB, max temp pracy 400st.C.

- materiały ceramiczne: ρ=2,25-5,98g/cm³, wytrzymałość na zginanie 30-1400 MPa, E=40-450 GPa, twardość 1200-3200HB, max temp pracy 1000-2000st.C.

Podstawy obróbki cieplnej stopów żelaza

1. Samorzutny proces rozrostu ziarna austenitu – stale gruboziarniste i drobnoziarniste

- warunek: nagrzanie stali do temperatury wyższej niż Ac₁ – po nagrzaniu do tej temperatury na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu następuje niejednorodne zarodkowanie austenitu

- przemiana ma charakter dyfuzyjny; powstające ziarna mają bardzo zróżnicowane stężenie węgla

- zwiększenie temperatury lub czasu wygrzewania powoduje rozrost ziarn austenitu w stalach gruboziarnistych

(rys. 4.45, str. 196, Dobrzański)

1. Dyfuzyjna przemiana austenitu w perlit – wpływ przechłodzenia na morfologię i własności perlitu

- w zakresie przechłodzeń do ok. 175K produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu

- ze spadkiem temperatury grubość płytek jest coraz mniejsza; przy niewielkich przechłodzeniach perlit jest grubo płytkowy, a przy większych – drobnopłytkowy

- drobnopłytkowy (sorbit hartowania, troostyt hartowania) – szybko się trawi; charakterystyczne ciemne rozety

- ze wzrostem rozdrobnienia rośnie pole powierzchni międzyfazowej i liczba defektów sieciowych, maleje możliwość ruchu dyslokacji – wzrost twardości i wytrzymałości, kosztem własności plastycznych

1. Przemiana martenzytyczna – uwarunkowania i cechy charakterystyczne przemiany

- przemiana bezdyfuzyjna, zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury M_s

- powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α

- przemiana zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany M_f do jej końca

- wartości temperatury M_s i M_f zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al. I Co

1. Definicja i własności martenzytu – wyjaśnienie przyczyn własności, wpływ zawartości węgla

- przesycony roztwór węgla w żelazie α

- charakterystyczny relief powierzchni, związany z nachyleniem powierzchni odpowiadającym każdej płytce lub listwie martenzytu – spowodowany przemieszczeniem atomów względem atomów sąsiednich

- granice ziarn martenzytu położone wzdłuż nieodkształconej i nie ulegającej obrotowi płaszczyzny austenitu, zwanej płaszczyzną habitus

1. Austenit nieprzemieniony (szczątkowy) – przyczyny i konsekwencje występowania

- 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 przebiega więc w całej objętości i dlatego po jej zakończeniu w strukturze stali pozostaje austenit szczątkowy

- w wyniku stabilizacji, w przypadku wytrzymania izotermicznego podczas chłodzenia w zakresie między temperaturami M_s i M_f, udział austenitu szczątkowego w stali zwiększa się; a także wraz ze zwiększeniem stężenia węgla w stali

1. Przemiany odpuszczania – odpuszczanie niskie, średnie i wysokie; struktury, własności, zastosowanie

- odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego elementu do temperatury poniżej A1, zwykle jednak nie wyższej niż ok. 550st.C.; czas na ogół nie przekracza 2h; niekiedy stosuje się trzykrotne odpuszczanie po 1h

- głównym celem jest poprawa ciągliwości materiału i zmniejszenie naprężeń, chociaż następuje to kosztem obniżenia jego twardości

- niskie (100-250st.C.) – narzędzia, wyroby nawęglane i hartowane powierzchniowo oraz łożyska

- średnie (250-450st.C.) – resory i sprężyny

- wysokie (450-600st.C.) – stale konstrukcyjne i narzędziowe do pracy na gorąco; rozkład austenitu szczątkowego

Stale konstrukcyjne

1. Ogólne wymagania stawiane stalom konstrukcyjnym

- łatwa spawalność CEV=<0,45

- wysoka ciągliwość (odporność na kruche pękanie)

- jak najwyższa wytrzymałość

- jak najniższa cena

1. Uzasadnienie zawartości węgla w stalach konstrukcyjnych,

- zawartość węgla nie większa niż ok. 0,5% - odporność na obciążenia i dobra ciągliwość

1. Sposoby podwyższania wytrzymałości stali konstrukcyjnych

- umacnianie roztworowe i normalizowanie

- umacnianie wydzieleniowe

- umocnienie wynikające z ulepszania cieplnego

- umocnienie wynikające ze struktury bainistycznej

- dodatek pierwiastków Cr, Mn, Si, Ni, Mo – polepszenie hartowności

- Cr, V, Mo, W zwiększają twardość i odporność na ścieranie

- obróbka cieplna, regulowane walcowanie

1. Stale konstrukcyjne trudnordzewiejące (typu CORTEN) – wyjaśnienie zjawiska, zastosowanie

- zwiększona odporność na warunki atmosferyczne – stal tworzy ochronną powłokę na swojej powierzchni pod wpływem pogody

- zastosowanie: rzeźby zewnętrzne, mosty, transport morski

Stale maszynowe

1. Ogólne wymagania stawiane stalom maszynowym

- wysoka wytrzymałość, wysoka ciągliwość, odpowiednia hartowność, dobra skrawalność

1. Uzasadnienie zawartości węgla oraz główna rola dodatków stopowych

- średnia zawartość węgla (0,25-0,5%) ze względu na ciągliwość

- dodatki stopowe: zapewniają głównie hartowność, niektóre polepszają również ciągliwość

- Ni (ciągliwość, wytrzymałość, hartowność)

- V, Ti (hamowanie rozrostu ziaren – ciągliwość i wytrzymałość)

- Mo, Cr (opóźnianie przemian odpuszczania więc wyższa temperatura i wyższa ciągliwość

- regulowana zawartość S dla odpowiedniej skrawalności

1. Uzasadnienie najczęściej stosowanej obróbki cieplnej

- hartowanie i wysokie odpuszczanie – optymalne skojarzenie wytrzymałości i ciągliwości

1. Kryteria doboru stali maszynowych

- hartowność (decyduje o własnościach przedmiotu oraz cenie)

- wytrzymałość (głównie zawartość C, temp. Odpuszczania, ziarno, dodatki itd.)

- ciągliwość (odporność na pękanie) - %C, ziarno, Ni, domieszki itd.

Stale odporne na korozję elektrochemiczną (nierdzewne i kwasoodporne)

1. Główny dodatek stopowy – przyczyny konieczności jego stosowania w dużych ilościach

- Cr (jedyny konieczny dodatek) , min 10,5% - tworzy warstwę pasywną

1. Nikiel jako dodatek stopowy – przyczyny jego stosowania mimo bardzo wysokiej ceny

- w przypadku dodania więcej niż 8% Ni do stali zawierających co najmniej 18% Cr stale wykazują strukturę austenitu – wyższe własności mechaniczne, większa odporność na korozję i mniejsza skłonność do rozrostu ziarn

1. Możliwe do uzyskania struktury w tej grupie stali (podstawa klasyfikacji) – zalety i wady

- ferrytyczne, martenzytyczne, austenityczne (umacniane wydzieleniowo), ferrytyczno-austenityczne (ponad dwa razy większa granica plastyczności niż austenitycznych, dobra odporność na pęknie naprężeniowo-korozyjne, korozję wżerową), austenityczno-martenzytyczne, austenityczne bez niklu

1. Korozja międzykrystaliczna w tej grupie stali – przyczyny i konsekwencje

- przerwanie warstwy pasywnej tlenku Cr