26-40.doc

26. Podstawowe grupy materiałów inżynierskich i rodzaje występujących wiązań międzyatomowych.

Materiałami inżynierskimi, nazywamy materiały konstrukcyjne, które są wykorzystywane do budowy maszyn i urządzeń. Podstawą podanej klasyfikacji jest istota wiązań między atomami tworzącymi dany materiał, utrzymujących je w skoordynowanych przestrzennie układach i determinujących podstawowe własności. Do podstawowych grup materiałów inżynierskich tradycyjnie są zaliczane: metale i ich stopy, polimery, materiały ceramiczne.

Atomy, gdy tworzą wiązanie dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliższego gazu szlachetnego. Energię wiązania chemicznego to niezbędna energia, którą należy dostarczyć w celu rozerwania jednego mola wiązań. Rodzaje wiązań:

1. Wiązanie atomowe to trwałe połączenie dwóch atomów niemetali tego samego pierwiastka np. Cl2, F2, O2, H2.

2.Wiązanie kowalencyjne powstaje w wyniku wspoldzielenia elektronów walencyjnych pochodzących od obydwu atomów. Różnica elektroujemności pomiędzy atomami musi być różna od 0.

3. Wiązanie atomowe spolaryzowane - powstaje wówczas, gdy łączą się ze sobą atomy pierwiastków różniących się rozmiarami i ilością powłok. Występuje w cząsteczkach: HCl, HI, H2O, H2S,

4. Wiązanie jonowe- to połączenie atomów o dużej różnicy w elektroujemności. Jeden z atomów tworzących wiązanie ma nadmiar ładunku ujemnego i staje się ujemnie naładowanym anionem, zaś drugi ma nadmiar ładunku dodatniego i staje się dodatnio naładowanym kationem. Wyniku. Przykładowe cząsteczki z wiązaniem jonowym: KBr, MgO, Na2S.

5. Wiązanie koordynacyjne- polega na uwspólnieniu elektronów między dwoma atomami pochodzących od jednego z atomów. Przykładowe cząsteczki zawierające wiązanie koordynacyjne to: H2SO4, H3PO4, H2SO3, HClO2.

6. Wiązanie wodorowe- nie powstaje ono w wyniku wymiany elektronów. To bardziej oddziaływanie. Jest znacznie słabsze niż typowe wiązania.

27. Defekty punktowe w kryształach metali, rodzaje, powstawanie i zanikanie, wpływ na właściwości.

Defektami punktowymi nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej umiejscowione

wokół punktu. Najprostszym defektem tego typu jest brak atomu w węźle sieci przestrzennej,

zwany wakansem albo luką.

Do defektów punktowych należą:

Defekty Shottky’ego- nie obsadzone węzły sieciowe lub powstawanie par wakancji atomów albo jonów (rys. 1)

Defekty Frenkla- przesunięcie atomów lub jonów z węzłów w pozycje międzywęzłowe (rys. 2)

Atomy międzywęzłowe- (rys. 3)

Atomy domieszkowe- Domieszka to obcy atom w sieci kryształu. Może być w położeniu węzłowym (jak wyżej, może być również w położeniu międzywęzłowym. Domieszki tworzą defekty elektronowe, będące podstawową cechą półprzewodników wykorzystywanych w elektronice (złącza p-n, tranzystory,...). (rys. 4)

Defekty punktowe mogą być wytworzone kilkoma sposobami:

·         podwyższenie temperatury np. do Ttopn a następnie gwałtowne obniżenie temperatury do Tpokojowej.

·         Deformacja plastyczna (szczególnie duża)

·         Napromieniowanie cząstkami o dużej energii (a , n, p, jony), cząstki takie wybijają jony z ich położeń. Liczba atomów międzywęzłowych musi być równa w tym przypadku liczbie wakansów.

Defekty punktowe oddziałują ze sobą poprzez różnice w ich rozkładzie ładunku. Defekty przeciwnych znaków (np. luka i atom międzywęzłowy) przyciągają się i mogą podlegać anihilacji, czyli znosić się wzajemnie.

              Rys. 1                                          Rys. 2                                               Rys. 3                            Rys. 4

Większość jednak własności metali, a przede wszystkim wytrzymałość i plastyczność,

odporność na korozję, przewodność elektryczna i przenikalność magnetyczna, wyraźnie

zależy od struktury. Wpływają na nie zarówno wszelkie nieprawidłowości struktury

sieciowej, jak i wielkość ziarn rozłożenie ich granic.
28. Dyslokacje, rodzaje, wpływ na własności wytrzymałościowe metali i charakteryzujące je własności. Dyslokacja krystaliczna - liniowa wada (defekt) budowy sieci krystalicznej polegająca na nierównomiernym rozmieszczeniu węzłów wzdłuż odpowiedniej linii. Do dyslokacji zaliczane są:

·         Dyslokacja krawędziowa - defekt sieci krystalicznej polegający na wystąpieniu półpłaszczyzny krystalicznej umieszczonej między płaszczyznami sieci kryształu o budowie prawidłowej. Powstaje przez wprowadzenie w kryształ dodatkowej płaszczyzny. Cechą charakterystyczną dyslokacji jest duże odkształcenie sieci, co jest spowodowane dążeniem atomów sąsiadujących z linią dyslokacji do dostosowania swych położeń do warunków wytworzonych przez brak płaszczyzny. W krysztale idealnym do zamknięcia konturu potrzeba szesnastu wektorów, a w krysztale z dyslokacją siedemnastu. Właśnie ten 17. wektor nosi nazwę wektora Burgersa i jest miarą wielkości dyslokacji. Ogólnie przyjmuje się, że dyslokacja to defekt, wokół którego kontur Burgersa nie zamyka się. Cechą charakterystyczną dyslokacji krawędziowej jest to , że wektor Burgersa jest do dyslokacji prostopadły. Rozróżnia się dyslokacje dodatnie(+) i ujemne(-). (rys. 1).

·         Drugim prostym rodzajem dyslokacji jest dyslokacja śrubowa, wyznaczająca granicę

·         między przesuniętą i nieprzesuniętą częścią kryształu. Granica ta przebiega równolegle do

·         kierunku poślizgu a nie prostopadle, jak to ma miejsce w przypadku dyslokacji krawędziowej.

·         Dyslokację śrubową najlepiej wyjaśnić na perspektywicznym modelu fragmentu kryształu,

·         którego jedna część jest przesunięta względem drugiej o jedną odległość atomową (rys. 2.19).

·         W wyniku tego przesunięcia poszczególne płaszczyzny atomowe przekształcają się w

·         powierzchnie śrubowe. Rozróżnia się dyslokacje prawo-skrętne wywołujące poślizg w

·         kierunku pokazanym na rys. 2.19, i dyslokacje lewo-skrętne wywołujące poślizg w kierunku

·         przeciwnym.

·         Dyslokacja mieszana - będąca sumą (jednoczesnym występowaniem) dyslokacji krawędziowych i śrubowych.

Rys. 2                                          Rys. 1

Istnienie dyslokacji tłumaczy dlaczego obserwowane wytrzymałości mechaniczne materiałów są 103-104 razy mniejsze od teoretycznych (czyli dla materiału idealnego bez defektów). W przypadku małych sił działających na kryształ odkształcenie jest sprężyste. Przy większych siłach odkształcenie staje się plastyczne czyli materiał nie powraca do pierwotnego kształtu.

29. Krystalizacja wlewka, przebieg procesu. Strefy krystaliczne.

Krystalizacja wlewka. Proces krystalizacji przebiegający w warunkach rzeczywistych staje się bardziej złożony wskutek wpływu różnych czynników ubocznych. Na przykład przy odlewaniu dużych wlewków stalowych do wlewnicy kryształy rosną najszybciej w kierunku prostopadłym do jej ścianek, tj. w kierunku najintensywniejszego doprowadzenia ciepła. Schemat struktury takiego wlewka jest przedstawiony na rysunku Rozróżnić w nim można trzy główne strefy: strefę kryształów zamrożonych, strefę kryształów słupkowych i strefę kryształów równoosiowych. Kryształy zamrożone powstają na skutek nagłego zetknięcia się ciekłego metalu ze ściankami wlewnicy, co powoduje raptowny spadek temperatury, znaczne przechłodzenie i powstanie dużej liczby zarodków. W rezultacie strefa ta ma strukturę drobnoziarnistą. W trzeciej strefie tworzą się kryształy równoosiowe, gdyż w środkowej części wlewka nie zaznacza się już określony kierunek odpływu ciepła, a temperatura krzepnącego metalu niemal całkowicie się wyrównuje. Wzajemne rozmieszczenie wymienionych trzech stref w objętości wlewka ma duże znaczenie praktyczne, gdyż wzdłuż miejsc styku np. stref kryształów słupkowych mogą często powstawać pęknięcia podczas walcowania wlewka.

30. Przemiany zachodzące podczas grzania metali zgniecionych, zmiany własności.

Często zachodzi konieczność przywrócenia materiałom ich własności, jakie miały przed odkształceniem plastycznym np. w celu obniżenia twardości lub uzyskania odpowiednich własności fizycznych, takich jak np. dobra przewodność elektryczna (jest to bardzo istotne np. w procesie ciągnienia drutów miedzianych przeznaczonych na przewody elektryczne). Obniżenie twardości i zwiększenie plastyczności odkształconego metalu oraz przywrócenie innych własności fizycznych można uzyskać przez wyżarzanie, które polega na wytrzymaniu odkształconego materiału przez pewien okres czasu w podwyższonej temperaturze, zwykle powyżej jednej trzeciej bezwzględnej temperatury topnienia

W czasie usuwania skutków odkształcenia plastycznego przez wyżarzanie można wyróżnić

trzy procesy, które kolejno zachodzą w odkształconym plastycznie metalu: zdrowienie, rekrystalizacja, rozrost ziarna. Proces zdrowienia związany jest ze zmianą rozmieszczenia i gęstości defektów sieci krystalicznej, głównie wakansów i dyslokacji. W odkształconym na zimno metalu istnieje gęsta sieć dyslokacji, która powstała w wyniku poślizgów i wzajemnego oddziaływania dyslokacji. W czasie zdrowienia następuje przemieszczanie i zmiana uporządkowania dyslokacji, co powoduje zmniejszenie energii zmagazynowanej w odkształcanej sieci. Proces ten jest aktywowany cieplnie. Jeśli odkształcony na zimno metal będzie poddawany dalszemu wygrzewaniu, to w pewnej określonej temperaturze, wyższej od temperatury zdrowienia, zaczną powstawać zarodki nowych nie odkształconych ziaren metalu. Nowe ziarna rozrastają się kosztem ziaren odkształconych i po pewnym czasie wszystkie stare ziarna zostają zastąpione przez nowe.

31. Roztwory stałe, rodzaje roztworów stałych,  wpływ rozpuszczonego składnika na własności.

Roztwór stały - stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze nazywamy rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym. Rodzaje roztworów stałych:
Roztwór stały międzywęzłowy- jest to taki roztwór stały, którego atomy pierwiastka rozpuszczonego są ułożone w sposób nieuporządkowany w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu rozpuszczalnika.

Roztwór stały różno węzłowy - jest to roztwór stały, którego atomy metalu rozpuszczonego zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika.

Substancja rozpuszczana może włączyć się w sieć krystaliczną rozpuszczalnika zastępując cząsteczki rozpuszczalnika w sieci, bądź śródmiąższowo wpasowując się w przestrzenie pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika. Oba te typy wpływają na właściwości roztworu stałego, znieksztalcaja sieć krystaliczną oraz fizyczną i elektryczną jednorodność rozpuszczalnika. Zgodnie z tzw. regułami Hume'a i Rothery'ego, wspólna krystalizacja dwóch substancji jest możliwa gdy maja one:

·         podobne promienie atomowe/jonowe (do 15% różnicy)

·         taką samą strukturę krystaliczna

·         podobną elektroujemność

·         podobną wartościowość

32. Wykres Fe-Fe3C, występujące fazy i struktury oraz ich właściwości.

Układ Fe-Fe3C jest częścią układu Fe-C do zawartości 6,7 % masy C

Stop żelaza z węglem – stopy, w których węgiel rozpuszczany jest w żelazie. Węgiel może występować w nich w postaci węgla czystego – grafitu, roztworu stałego w sieci krystalicznej ferrytu lub austenitu albo jako węglika żelaza, np. Fe3C, zwanego cementytem

Stopy zawierające poniżej 2,11% (wg norm polskich zaś europejskich 1,75%) węgla to stale lub staliwo, a powyżej tej zawartości to żeliwo.

Wraz ze wzrostem udziału węgla struktura stopu żelaza z węglem przybiera odmienne formy:

·         przy bardzo niewielkiej zawartości węgla, poniżej 0,0218% udaje się uzyskać niemal czyste żelazo α zwane ferrytem.

·         przy zawartości 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu

·         przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, który w czasie dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 723 °C przekształca się w ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką.

·         przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy podeutektoidalne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu.

·         stopy w zakresie 0,77% do 2,11% – stale nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu i cementytu.

·         stopy o zawartości węgla powyżej 2,11% (żeliwo), są mieszaninami ledeburytu przemienionego i perlitu (do 4,3% węgla) lub cementytu (powyżej 4,3% węgla). W przypadku stosunkowo wolnego chłodzenia w stopach tych może także wystąpić grafit.

Składniki struktury stopów z układu żelazo-cementyt

•Roztwór ciekły L

•Ferryt α i (α, δ)

• Austenit

•Cementyt pierwszorzędowy (pierwotny), wydzielający się z

roztworu ciekłego w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności

węgla w roztworze, wzdłuż linii CD

•Cementyt drugorzędowy (wtórny), wydzielający się z austenitu w

wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w austenicie,

wzdłuż linii ES

•Cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu w wyniku

zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w ferrycie, wzdłuż linii

PQ

•Perlit – mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, zawierając

0,76% C, powstająca w wyniku rozpadu austenitu w 727ºC

•Ledeburyt – mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu,

zawierająca 4,3% C, powstająca w wyniku rozpadu L w 1147ºC

•Ledeburyt przemieniony – mieszanina perlitu i cementytu,

powstająca w wyniku rozpadu austenitu w ledeburycie na perlit w

727ºC

...