1. Omów siły i energie oddziaływań między atomami w krysztale.

Oddziaływania między atomami:

Oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy elektronami walencyjnymi a jądrami atomów.

Energia potencjalna i siły zależne są od odległości pomiędzy atomami. Minimum energii potencjalnej uważa się za stan stabilny wiązania. Zmiana odległości pomiędzy atomami wiąże się ze zmianą stanu skupienia substancji.

Energia potencjalna rośnie wraz z oddalaniem się atomów od siebie.

Siły przyciągające atomy są największe w położeniu, gdy atomy są najbliżej.

2. Scharakteryzuj wiązania chemiczne i ich wpływ na właściwości kryształów.

Wiązanie jonowe- pierwiastek o dużej elektroujemności i pierwiastek o małej elektroujemności (zabranie elektronu z powłoki walencyjnej), średnia energia wiązania, wysoka T topnienia, plastyczne, zła przewodność el. Np.NaCl

Wiązanie kowalencyjne- pierwiastki o podobnej elektroujemności, wysoka energia wiązania, b.wysoka T topnienia, wysoka twardość, izolatory / półprzewodniki np.Cl2,O2

Wiązanie metaliczne-w zasadzie są wiązaniami kowalencyjnymi ale elektrony są tam słabiej związane z jądrami (łatwiej ulegają polaryzacji) pod wpływem przyłożonego napięcia następuje przemieszczanie się elektronów, średnia energia wiązania, szeroki przedział T topnienia, dobre przewodnictwo, zmienna plastyczność, występują jako wiązania wielokrotne.

Wiązanie międzycząsteczkowe siłami van der Waalsa -przypominają wiązania jonowe lecz ładunek cząstek nie jest skoncentrowany na pojedynczym atomie tylko na wielu rozproszonych atomach, niska energia wiązania, dobre izolatory, b.miękkie, niska T topnienia

3. Scharakteryzuj komórki: regularną ściennie centrowaną, regularną przestrzennie centrowaną i heksagonalną.

Regularna ściennie centrowana - RSC - o kształcie sześcianu, złożona z ośmiu atomów w narożach sześcianu i sześciu pośrodku ścian

Regularna przestrzennie centrowana - RPC - o kształcie sześcianu z czterema atomami w narożach i jednym wewnątrz

Heksagonalna - H - o kształcie graniastosłupa o podstawie sześciokąta z dwunastoma atomami w narożach struktury i dwoma na każdej z sześciokątnych podstaw.

4. Omów różnice w krystalizacji metali pierwiastkowych, stopów metali i materiału amorficznego.

Materiał amorficzny - jego temperatura spada stopniowo w czasie bez żadnych wahań spowodowanych przemianą fazową (krzywe krzepnięcia)

Stopy metali i metale pierwiastkowe - na krzywych krzepnięcia widoczne są wahania w szybkości spadku temperatury spowodowane przemianą fazową i pochłanianiem energii (temperatury) z tym, że w stopach zachodzi ten proces łagodniej.

5. Wyjaśnij pojęcie równowagi termodynamicznej. Podaj i omów zależności opisującą entalpię swobodną Gibbsa i energię swobodną Helmholtza. Kiedy obie energie mają zbliżone wartości?

Równowaga termodynamiczna - makroskopowy stan układu, w którym parametry takie jak P,V,T są stałe w czasie. Na równowagę termodynamiczną składa się:

- równowaga chemiczna (brak przepływu cząstek i brak reakcji chemicznych)

-równowaga mechaniczna (nie występują niezrównoważone siły)

-równowaga termiczna (nie występuje przepływ energii)

Entalpia swobodna Gibasa - potencjał termodynamiczny

G = U + PV - TS

Energia swobodna Helmholtza - funkcja stanu i potencjał termodynamiczny, odpowiada tej części energii wewnętrznej, która podczas reakcji może być uwolniona na zewnątrz układu.

F = U - TS U - energia wewnętrzna, T - temperatura, S - entropia

Równanie Gibasa - Helmholtza:

G = U + PV - TS i F = U - TS

G = F + PV

G = F gdy PdV jest = 0 czyli dla faz skondensowanych

6. Omów pierwszą zasadę termodynamiki.

δH=δQ+δW

Zmiana energii wewnętrznej układu jest równa sumie dostarczonego ciepła do układu lub ciepła oddanego przez układ i pracy wykonanej przez układ lub wykonanej nad układem.

7. Zdefiniuj pojemność cieplną. Wyprowadź zależności na ciepło właściwe przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu.

Pojemność cieplna: c=δQ/dT - stosunek ilości ciepła dostarczonej do układu do odpowiadającego mu przyrostu temperatury.

(dU/dT)_v = (dQ/dT)_v = c_v v= const.

Ciepło dostarczone do układu zwiększa jego energie dV/dT=0

dH = dU + pdV + Vdp

dH = dQ - pdV + pdV + Vdp bo dU=dQ - pdV

dH = dQ + Vdp/dT

(dH/dT) = (dQ/dT) = c_p p = const.

Ciepło dostarczone do układu zwiększa jego entalpię dp/dT = 0

8. Wyjaśnij, jaki układ nazywamy termodynamicznie metastabilnym. Podaj przykłady takich układów.

Stan metastabilny - nie charakteryzuje się minimum energii i jest trwały ze względu na bariery kinetyczne

Przykłady: stal hartowana, szkło metaliczne, aluminium utwardzane wydzieleniowo

9. Podaj definicję fazy, roztworu stałego i fazy międzymetalicznej.

Faza - jednorodna część układu oddzielona granicą, po przekroczeniu której własności zmieniają się skokowo.

Roztwór stały - jednorodna faza złożona z co najmniej dwóch składników, zachowuje strukturę krystaliczną rozpuszczalnika

Faza międzymetaliczna - ma struktury i właściwości pośrednie między roztworem stałym i związkiem chemicznym, struktura krystaliczna odmienna od struktury składników, wiązania metaliczne, uporządkowane rozmieszczenie atomów składników w sieci, stała proporcja składników.

10. Podaj definicję i podział roztworów stałych.

Roztwór stały - jednorodna faza złożona z co najmniej dwóch składników, zachowuje strukturę krystaliczną rozpuszczalnika

Podział:

podstawowe - rozpuszczalnikiem jest pierwiastek chemiczny

wtórne - rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna (np.rozpuszczanie w wodzie)

różnowęzłowe - następuje ekspansja lub kontrakcja sieci (nieograniczone, ograniczone)

międzywęzłowe - następuje ekspansja sieci - ograniczone

pustowęzłowe - ograniczone

11. Scharakteryzuj roztwory stałe. Co to są roztwory stałe uporządkowane?

Roztwory stałe uporządkowane - mają uporządkowany układ atomów składnika B w sieci rozpuszczalnika A, tworzą się w określonym zakresie temperatur, mają określony stosunek składników AB. AB₃

12. Jakie kryteria decydują o powstawaniu roztworów stałych i faz międzymetalicznych?

Kryteria tworzenia roztworów stałych Hume-Rothery'ego:

-czynnik wielkości atomu (różnica większa niż 15% między A i B wyklucza roztwór nieograniczony)

-czynnik elektrochemiczny (duża różnica w elektrowartościowości powoduje powstanie faz metalicznych)

-czynnik wartościowości (składnik o większej wartościowości rozpuszcza się w składniku o mniejszej wartościowości)

13. Scharakteryzuj fazy międzymetaliczne. Podaj przykłady.

Fazy międzymetaliczne- mają struktury i własności pośrednie między roztworem stałym a związkiem chemicznym

Cechy charakterystyczne:

-struktura krystaliczne odmienna od struktury składników

-uporządkowane rozmieszczenie atomów składników w sieci

-stała proporcja składników

-wiązania metaliczne

14. Jakie właściwości stopów są zależne, a jakie niezależne od struktury?

Zależne: mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, przewodność cieplna, współczynnik dyfuzji, odporność korozyjna

Niezależne: gęstość, ciepło właściwe, współczynniki rozszerzalności cieplnej i ściśliwości

15. Podaj różnice we właściwościach czystych metali i stopów wielofazowych.

Czyste metale: duża ciągliwość, mała twardość i wytrzymałość mechaniczna, dobra przewodność elektryczna i cieplna, dobra odporność korozyjna

Stopy wielofazowe: większa twardość i wytrzymałość, raczej dobra ciągliwość, mniejsza przewodność elektryczna i cieplna, mniejsza odporność korozyjna

16. Scharakteryzuj defekty punktowe.

Defekty punktowe: wakanse, atomy międzywęzłowe, atomy obce węzłowe, atomy obce międzywęzłowe (rys.)

defekty powstają w wyniku drgań cieplnych, gdzie przy odpowiedniej amplitudzie drgań atom może zostać wytrącony z obecnego położenia

17. Omów defekt Frenkla i defekt Schotky'ego.

Defekt Frenkla: defekt powstały na wskutek przesunięcia się ciągu atomów w sieci krystalicznej. Efektem jest powstanie nowego wakansu i atomu międzywęzłowego.

Defekt Schotky'ego: defekt powstały wskutek przesunięcia się ciągu atomów w sieci krystalicznej. Defekt charakteryzuje się powstaniem wakansu i (wypchnięciem atomu na zewnątrz struktury = na powierzchnię kryształu) lub przemieszczeniem się atomu w miejsce innego wakansu i powstaniem nowego wakansu w jego poprzednim położeniu.

18. Jak zależy ilość defektów od temperatury?

Ilość defektów rośnie wraz z temperaturą n=n₀exp(-E/kt) ( n/N = e ^ -E/RT )

19. Jakie czynniki powodują powstawanie defektów struktury?

Co powoduje powstawanie defektów: szybkie chłodzenie z wysokiej temperatury, napromieniowanie ciężkimi cząstkami, odkształcenia plastyczne na zimno.

20. Scharakteryzuj dyslokacje krawędziowe.

Dyslokację krawędziową wywołuje obecność w strukturze krystalicznej dodatkowej półpłaszczyzny obsadzonej atomami, której krawędź stanowi linia brzegowa zwana linią dyslokacji.

Wokół linii dyslokacji następuje jednocześnie objętościowe i postaciowe odkształcenie kryształu. Dyslokacje krawędziowe posiadają zdolność przemieszczania się w płaszczyźnie poślizgu pod wpływem odpowiednio skierowanego nacisku.

Wyróżnia się dyslokacje dodatnie i ujemne.

21. Scharakteryzuj dyslokacje śrubowe

Dyslokacja śrubowa to efekt przemieszczenia części kryształu wokół danej osi zwanej linią dyslokacji śrubowej. Dyslokacja powstaje, gdy wszystkie atomy na danej powierzchni poślizgu zostaną przesunięte o jedną odległość atomową w tym samym kierunku względem drugiej płaszczyzny. Dyslokacja śrubowa to granica pomiędzy nie przesuniętą a przesuniętą częścią kryształu. Wyróżnia się dyslokacje prawoskrętne i lewoskrętne. Skutkiem dyslokacji są defekty sieciowe.

22. 
    Omów mechanizm powstawania dyslokacji Franka-Reeda.

Mechanizm polegający na powstawaniu dyslokacji w procesie odkształcenia na zimno (np. przez zgniatanie). Teoria zakłada, że w metalu nie odkształconym istnieje przestrzenny układ dyslokacji, unieruchomionych w pewnych miejscach.

W płaszczyźnie rysunku na dyslokację unieruchomioną w węzłach A i B działa naprężenie styczne (strzałka). Linia dyslokacji (AB) w pierwszej fazie zaczyna się wyginać. Następnie tworzy ona dwie przeciwnie zorientowane spirale, których krawędzie łączą się. W ten sposób powstają dwie dyslokacje: zewnętrzna i wewnętrzna (łącząca węzły A i B).

Teoretycznie możliwe jest powstanie nieskończenie wielu pętli, ale praktycznie defekty strukturalne nie pozwalają na rozwój pętli linii dyslokacji.

W miarę zwiększania się ilości dyslokacji twardość metalu wzrasta, lecz maleją jego właściwości plastyczne i zmieniają się właściwości fizyczne (np. maleje przewodność elektryczna, rośnie potencjał elektrochemiczny)

23. Scharakteryzuj granice ziaren.

Obszar o szerokości kilku średnic atomowych, o nieprawidłowej strukturze sieciowej.

Granice ziaren stanowią wady powierzchniowe budowy krystalicznej. W metalu polikrystalicznym granice oddzielają ziarna różniące się wzajemną orientacją krystaliczną, a w stopach technicznych ponadto składem chemicznym. W zależności od kąta dezorientacji krystalicznej granice ziaren dzieli się na:

- wąskokątowe,

- szerokokątowe.

Granice między ziarnami różnych faz są nazywane granicami międzyfazowymi. Różnią się parametrami i typem sieci, mają budowę zbliżoną do granic szerokokątnych. Można podzielić ja na:

- koherentne,

- półkoherentne,

- niekoherentne.

24. Jakie są charakterystyczne parametry granic ziaren?

- różnica orientacji sąsiednich ziaren,

- energia granic ziaren (podwyższona):

- mniejsza odporność na korozję,

- podatność na trawienie,

- ruch - rozrost ziaren.

25. Jak tworzą się granice wąskokątowe?

Granice wąskokątowe powstają w miejscu zetknięcia podziarn.

Granice wąskokątne powstają podczas krystalizacji podczas złączania się krawędzi dendrytów oraz w stanie stałym podczas wygrzewania materiału uprzednio odkształconego plastycznie.

26. Porównaj granice sprzężone, niesprzężone i półsprzężone.

Granice sprzężone (koherentne):

- dobre dopasowanie sieci graniczących faz

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

- występują w kryształach bliźniaczych

-granice pomiędzy kryształami proste (płaskie)

Granice półsprzężone (półkoherentne)

- częściowe dopasowanie sieci graniczących faz

- często dyslokacja na granicy faz

- wyższa energia granicy niż w granicach koherentnych

- granica tworzy niewielki kąt z płaszczyzną bliźniaczą

Granice niesprzężone (niekoherentne)

- liczne zaburzenia w rozmieszczeniu atomów na granicy

- wysoka energia granicy

- zaokrąglone granice kryształów (minimalizacja energii)

---