Fragment notatki:
Materiałoznawstwo
MATERIAŁOZNAWSTWO CHEMICZNE
Pojęcia podstawowe
1. Wybór materiału inżynierskiego - istotne właściwości
- ekonomia (cena, dostępnośd)
- mechaniczne właściwości objętościowe (gęstośd, współczynnik sprężystości,
plastycznośd, wytrzymałośd zmęczeniowa)
- niemechaniczne właściwości objętościowe (cieplne, optyczne, magnetyczne)
- właściwości powierzchni (utlenianie, korozja, tarcie, ścieranie)
- właściwości produkcyjne (łatwośd wytwarzania, łączenie części, wykooczenie)
- właściwości estetyczne (wygląd, dotyk)
2. Rodzaje materiałów inżynierskich i ich główne właściwości
- metale i ich stopy
- głównie stopy Fe, Cu, Al, Ni, Ti
- duża sztywnośd
- ciągliwośd
- odpornośd na pękanie
- dobra przewodnośd elektryczna i cieplna
- połysk metaliczny
- materiały ceramiczne i szkła
- głównie tlenki lub związki chemiczne z C, N, P, S
- podstawowe składniki Al2O3, SiO2, MgO, Sic
- mała przewodnośd elektryczna i cieplna
- dobra zdolnośd przenoszenia obciążeo ściskających
- słaba ciągliwośd i odpornośd na pękanie
- odpornośd na korozję i wysoką temperaturę
- ceramika Al2O3, MgO, SiO2 - materiały ogniotrwałe
- metale i mat. ceramiczne posiadają strukturę krystaliczną
- szkła - kruche, przezroczyste, odporne chemicznie, przeprowadzenie ze stanu
szklistego w krystaliczny (dewitryfikacja) przez obróbkę cieplną
- polimery
- związki chemiczne C z H (też O, N, F, Cl, S)
- zbudowane z merów (500 w cząsteczce)
- mała przewodnośd cieplna i elektryczna
- dobra odpornośd na korozję
- estetyczny wygląd
- niska odpornośd temperaturowa
- kompozyty
- co najmniej dwa materiały z metali, ceramiki, tworzyw sztucznych
- wytwarzane przez człowieka i naturę
Michał Sowa
Strona 1/15
Materiałoznawstwo
3. Zależnośd między właściwościami materiału, jego strukturą i procesem wytwarzania
- podstawowe właściwości mechaniczne określające zachowanie materiału:
- moduł sprężystości
- granica plastyczności
- wytrzymałośd na rozciąganie
- odpornośd na pękanie
- twardośd
- ciągliwośd
- zachowanie pod wpływem obciążeo dynamicznych, zmieniających się
cyklicznie, w wysokich temperaturach
4. Budowa atomu
- cząstki główne:
- proton (m = 1u = 1.67 10-23kg; ładunek = +1 = 1,6 10-19C)
- neutron (m = 1u = 1.67 10-23kg; ładnuek = 0)
- elektron (m = 1/1837u = 9,1 10-31kg; ładunek = -1 = -1,6 10-19C)
- cząstki niepodzielne wg modelu standardowego, z podziałem na generajce
Rodzaje
cząstek
Kwarki
Rodziny (generacje cząstek)
Pierwsza
Górny (up)
Dolny (down)
Leptony
Elektron
Neutrino
elektronowe
Druga
Powabny
(charm)
Dziwny
(strange)
Mion
Neutrino
mionowe
Trzecia
Wierzchołkowy
(top)
Piękny (beauty)
Tauon
Neutrino
tauonowe
Ładunek
elektryczny
+2/3
-1/3
-1
0
- wszechświat wypełniony jest neutrinami
- gluony - kwanty energii spajające kwarki (8 rodzajów o różnych kombinacjach
„kolorów”)
Michał Sowa
Strona 2/15
Materiałoznawstwo
5. Rodzaje wiązao między atomami; orientacyjne wartości energii
?
Struktura krystaliczna
- materiały ze względu na sposób ułożenia w nich atomów lub jonów można podzielid
na krystaliczne lub niekrystaliczne (szkła)
- większośd metali ma jedną z trzech prostych struktur krystalicznych
- materiały ceramiczne mają szeroki zakres struktur
- szkła z definicji nie mają struktury krystalicznej
- mały ułamek polimerów ma strukturę krystaliczną
- strukturę krystaliczną opisuje 7 układów krystalograficznych oraz 14 typów sieci
6. Geometria komórki elementarnej
- geometrię opisują stałe sieciowe (parametry sieciowe):
- celem opisania położeo sieciowych stosuje się wskaźnikowanie położeo sieciowych i
wksaźnikowanie kierunków sieciowych
- istnieje 14 komórek elementarnych sieci Bravais’go
- przykłady:
- struktura NaCl - sied regularna płasko centrowana - jon Na+ w położeniu 0 0
0, jon Cl- w położeniu ½ 0 0
- struktura CsCl - sied regularna przestrzennie centrowana - jon Cs+ w
położeniu 0 0 0, jon Cl- w położeniu ½ ½ 1/2
Michał Sowa
Strona 3/15
Materiałoznawstwo
- płaszczyzny sieciowe - procedura ustalania wskaźników Millera:
- określenie długości odcinków odciętych na osiach współrzędnych przez
rozpatrywaną płaszczyznę
- podanie odwrotności odcinków
- zredukowanie odwrotności do najmniejszych liczb całkowitych
- oznaczanie struktur krystalicznych - zalecana symbolika Pearsona
1) litera (mała)
- oznacza układ krystalograficzny (cubic, hexagonal i trigonal, tetragonal,
orthorombic, monoclinic, anorthic, triclinic)
2) litera (duża)
- oznacza typ sieci Bravais’go (P - prymitywna, I - przestrzennie centrowana, F ściennie centrowana, C - centrowana na podstawie, R - romboedryczna)
3) liczba atomów przypadająca na komórkę elementarną
7. Rodzaje struktury krystalicznej metali
- większośd z metali ma jedną z trzech struktur krystalicznych:
- regularna ściennie centrowana (RSC, cF4, A1) (np. Cu, Al, Ni, Fe-γ, Ag, Au, Pb)
- regularna przestrzennie centrowana (RPC, cI2, A2) (np. Mo, W, V, Nb, Fe-α,
Cr-α)
- heksagonalna zwarta (HZ, hP2, A3) (np. Zn, Mg, Cd, Ti-α, Zr-α)
Właściwości mechaniczne
- naprężenie i odkształcenie
- przy działaniu na pręt siłą F, siła jest równoważona przez siłę oporu wewnętrznego δS
- gdy siła nie jest prostopadła do przekroju powierzchni wyróżniamy składowe:
- normalną (wytwarza naprężenie rozciągające Fn/S)
- styczną (wytwarza naprężenie ścinające Fs/S)
- odkształcenie - reakcja materiału na naprężenie nominalne:
- odkształcenie liniowe - dla prętu o przekruju kwadratowym i boku a0:
Michał Sowa
Strona 4/15
Materiałoznawstwo
- odkształcenie poprzeczne - podczas wydłużania następuje zmniejszenie przekroju
poprzecznego:
8. Współczynnik Poissona
- stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym
stanie naprężenia
- wielkoś bezwymiarową, nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki
się on odkształca
- dla prętu rozważanego w pkt 7:
9. Moduł Younga
- obecny w module sprężystości, określającym proporcjonalnośd odkształcenia do
naprężenia rozciągającego
δ - naprężenie, E - moduł Younga, ε - odkształcenie liniowe
- duży moduł Yougna = duża siła by nastąpiło odkształcenie sprężyste materiału
- rośnie wraz ze wzrostem siły wiązao
- zależy od typu wiązao między atomami, składu chemicznego i struktury krystalicznej
- obróbka cieplna i plastyczna mają wpływ na moduł, jeśli nie zmieniają ww.
parametrów
- wartośd anizotropowa
- określa sztywnośd materiału - oprór przeciw wydłużaniu lub ściskaniu sprężystemu
11. Statyczna próba rozciągania
- umożliwia określenie podstawowych charakterystyk wytrzymałościowych i
plastycznych
- wymiary próbek są znormalizowane, rejestracja zależności Δl od F
12. Ważniejsze wielkości określane w próbie rozciągania
- umowna granica sprężystości (np. R0,05 = F0,05 / S0 - siła powoduje trwałe wydłużenie
o 0,05%)
- umowna granica plastyczności (np. R0,2 = F0,2 / S0 - siła powodująca trwałe
wydłużenie o 0,2%)
- wytrzymałośd na rozciąganie (R M = FM / S0)
- wydłużenie względne (A = (lu - l0) / l0 · 100%)
- przewężenie względne (Z = (S0 - Su) / S0 · 100%)
Michał Sowa
Strona 5/15
Materiałoznawstwo
13. Twardośd materiału
- opór materiału przeciw wciskaniu obiektu zwanego wgłębnikiem
- istnieje zależnośd między twardością a wytrzymałością na rozciąganie
14. Udarnośd - wyznaczanie, znaczenie rodzaju stuktury
- odpornośd na działanie naprężeo dynamicznych
- miara udarności to energia konieczna do zniszczenia próbki obciążonej udarowo
- wyznaczanie opiera się na określeniu różnicy położenia początkowego i koocowego
wahadła
- stopy o strukturze RSC - ciągliwy typ przełomu - dobra udarnośd, niezależna od
temperatury
- stopy o strukturze HZ - zazwyczaj kruche
- stopy o strukturze RPC - sposób pękania zależny od temperatury - w niskiej kruche,
w wysokiej ciągliwe
15. Odpornośd na pękanie
- dwa skrajne przypadki zniszczenia przez naprężenie rozciągające:
- materiał bardzo plastyczny (Au, Pb) - przewęża się do pojedynczych atomów
- materiał kraocowo kruchy - pęka bez jakiegokolwiek odkształcenia
plastycznego
16. Zmęczenie materiału
- pękanie materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeo
- wytrzymałośd zmęczeniowa (dla stali) - graniczna amplituda naprężeo przy której
próbka nie ulegnie zniszczeniu nawet przy bardzo dużej ilości cykli
- wytrzymałośd zmęczeniowa (dla stopów nieżelaznych) - największa amplituda
naprężeo przy której próbka nie ulegnie zniszczeniu podczas arbitralnie dużej liczbie
cykli (N=106)
17. Pełzanie materiału
- odkształcenie plastyczne pod wpływem stałego obciążenia
- istotne dla zakres 0,3-0,5Tt materiału
- wiele polimerów pełza w temperaturze otoczenia
- ważne w konstrukcjach eksploatowanych w wysokich temperaturach - turbiny,
reaktory jądrowe, aparatura przemysłu chemicznego
Michał Sowa
Strona 6/15
Materiałoznawstwo
18. Rodzaje roztworów stałych
- roztwór substytucyjny (podstawieniowy)
- Ni rozpuszczony w Cu - atomy niklu zastępują miejsce miedzi
- roztwór stały ciągły - musi spełniad warunki Hume-Rothery’ego, wtedy 2 składniki
rozpuszczają się w sobie w nieograniczonych proporcjach:
- ten sam typ struktury
- różnica promienia atomowego 1536°C
- w niskiej temperaturze żelazo jest ferromagnetyczne, ze wzrostem właściwośd
zanika (w 768°C)
Wykresy fazowe
22. Reguła faz Gibbsa; faza; składnik układu
Faza - częśd układu oddzielona od reszty układu wyraźną granica, na której
przynajmniej pewne makroskopowe właściwości ulegają skokowej zmianie
Składniki układu - pierwiastki lub związki niezbędne do utworzenia wszystkich faz
występujących w danym układzie
Reguła faz Gibbsa - liczba stopni swobody - liczba zmiennych niezależnych w układzie,
których zmiana nie spowoduje zmiany liczby faz
s=n-f+2
Zmienne - T,p,C
s - liczba stopni swobody
n - liczba składników
f - liczba faz
w przypadku układów skondensowanych p = const.
s=n-f+1
czysty pierwiastek ma w Tt 0 stopni swobody - dwie fazy znajdują się w równowadze
23. Wykresy fazowe dla dwóch składników w stanie stałym; opis zmian zachodzących
podczas chłodzenia; reguła dźwigni; przemiany zachodzące w punkcie eutektycznym;
różnica między przemianą eutektyczną a eutektoidalną (24, 25, 26, 27, 28)
- proces dyfuzji w stanie stałym jest bardzo powolny, warunki zbliżone do
równowagowych osiąga się przy bardzo wolnym chłodzeniu
- reguła dźwigni pozwala na określenie
udziału poszczególnych faz w obszarze
dwufazowym - przykładowo:
masa stopu = 100g
ml + mα = 100g
bilans składnika B
0,7ml + 0,2mα = 0,40 · 100g
ml = 40g
mα = 60g
Michał Sowa
Strona 8/15
Materiałoznawstwo
Michał Sowa
Strona 9/15
Materiałoznawstwo
Rys.1 - wykres fazowy składników o nieograniczonej rozpuszczalności
Rys.2 - wykres fazowy składników o nierozpuszczających się wzajemnie
Rys.3 - wykres fazowy składników o ograniczonej rozpuszczalności
- Skład eutektyczny (E) - najniższa temperatura istnienia fazy ciekłej; współistnieją 3
fazy - 0 stopni swobody
- Mikrostruktura w stanie eutektycznym - cienko upakowane kryształy
28. Różnica między przemianą eutektyczną a eutektoidalną
- podczas przemiany eutektycznej z jednej fazy ciekłej powstają dwie fazy stałe,
podczas przemiany eutektoidalnej z jednej fazy stałej powstają dwie fazy ciekłe
Stal
29. Procesy zachodzące w wielkim piecu - wytwarzanie stali
30. Utlenianie węgla znajdującego się w surówce i odtlenianie stali
- surowce - rudy żelaza (magnetyt (Fe3O4), hematyt (Fe2O3))
1) Redukcja tlenków do metalicznego żelaza
- w piecu szybowym (wielki piec)
Michał Sowa
Strona 10/15
Materiałoznawstwo
- za pomocą węgla
- potrzebny jest koks do redukcji i paliwo
- otrzymuje się surówkę (produkt bogaty w węgiel)
- do przeprowadzenia w stan ciekły tlenków o wysokiej Tt (Al2O3, SiO2) stosuje się
topnik (CaO) tworzący niskotopliwą eutektykę
- tlenki tworzą żużel zbierający się na dnie pieca
- w dolnej części pieca pod wpływem gorącego gazu zachodzą reakcje:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3Fe + CO2
FeO + CO = Fe + CO2
FeO + C = Fe + CO
- nowoczesny piec - V=3600m3; wyd. 10 000ton surówki / dzieo; 450kg koksu / 1t
surówki; 10-15lat pracy bez remontu
2) Odtlenianie stali - utlenianie węgla w surówce
- w konwertorach
- wdmuchiwany tlen reaguje z C, P, S, Mn, Fe
- wydziela się dużo ciepła - dodaje się złom stalowy
3) Krzepnięcie stali
- zmniejszenie rozpuszczalności tlenu i wydziela się CO
- by zmniejszyd zawartośd CO dodaje się Mn, Si, Al.
4) Odlewanie stali
- w sposób ciągły lub do wlewnic
5) Obróbka plastyczna
- walcowanie, kucie
31. Składniki zwykłe, zanieczyszczenia i pierwiastki stopowe w stali
- stale - przerobione plastycznie stopy Fe z C i innymi pierwiastkami pochodzącymi z
surowców i paliw lub dodawanymi celowo
1) Składniki zwykłe - konieczne ze względów metalurgicznych
- usuwają tlen z procesu wytwarzania - Mn, Si, Al.
2) Zanieczyszczenia - usuwanie poniżej pewnych granic jest niemożliwe /
nieopłacalne ekonomicznie
a) Siarka - z koksu i rudy
- tworzy MnS, zarodkujący pęknięcia
- max 0,05%
- w stalach o dużej udarności max 0,02%
- mała ilośd Mn powoduje tworzenie FeS
- dodawana celowo do stali automatowych (do 0,35%)
b) Fosfor - z rudy
Michał Sowa
Strona 11/15
Materiałoznawstwo
- gromadząc się na granicy ziaren ułatwia kruche pękanie
c) Tlen
- zmniejsza ciągliwośd i udarnośd
d) Azot - z powietrza w wytapianiu
- zmniejsza ciągliwośd i udarnośd
3) Pierwiastki stopowe - wprowadzane celowo (Mn, Si, Ni, Cr, Mo, W, V, Cr, B)
- rozpuszczają się w ferrycie
- tworzą węgliki i azotki
- tworzą formy międzymetaliczne lub fazy obce
- w stanie stałym Fe tworzy:
- roztwory międzywęzłowe z C, N, H, B, O
- roztwory substytucyjne z pozostałymi pierwiastkami
- cel dodawania:
- odpornośd na korozję, zużycie
- drobne ziarno
- węgiel:
- wpływa na mikrostrukturę i właściwośdi
- występuje w ferrycie i austenicie
- ze wzrostem zawartości rośnie:
- wytrzymałośd
- twardośd
- ze wzrostem zawartości maleje:
- ciągliwośd
- odpornośd na pękanie
- spawalnośd
- skrawalnośd
- podatnośd na odkształcenia plastyczne
33. Podział stali
- ze względu na skład chemiczny:
- niestopowe (węglowe)
- stopowe (posiadają celowo wprowadzone dodatki)
- ze względu na przeznaczenie:
- konstrukcyjne (odporne na korozję, raczej niestopowe)
- narzędziowe (duża odpornośd na ścieranie i twardośd, zaw. dużo węgla)
- o szczególnych właściwościach
34. Hartowanie, odpuszczanie, martenzyt
- martenzyt - przesycony roztwór węgla w Fe-α utworzony podczas przemiany z
austenitu
- hartowanie - zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali w celu utworzenia
austenitu z następnym szybkim utworzeniem martenzytu
Michał Sowa
Strona 12/15
Materiałoznawstwo
- hartowalnośd - zdolnośd stali do tworzenia struktury martenzytowej podczas
hartowania
- odpuszczanie - nagrzewanie zahartowanej stali (o strukturze martenzytu) w celu
zwiększenia plastyczności; podczas nagrzewania znikają naprężenia i wydzielają się
węgliki
Ceramika
1. Czynniki wpływające na odpornośd chemiczną materiałów ceramicznych
- skład chemiczny
- skład minearologiczny
- porowatośd
- rodzaj budowy
- środowisko korozyjne
2. Podział ceramiki technicznej
- tradycyjna
- krzemianowa (porcelana twarda)
- surowce naturalne o uziarnieniu mikrometrowym
- „plastyczne” składniki surowcowe
- nowoczesna
- ceramika tlenkowa i beztlenkowa (tlenki, węgliki, azotki)
- syntetyczne mikroproszki o uziarnieniu submikrometrowym
- stosowanie dodatków organicznych
3. Składniki ceramiki klasycznej
- gliny - Al2O3 + SiO2 + H2O (np. kaolinit Al4[OH8 Si4O10])
- krzemionka (SiO2)
- skalenie (np. ortoklaz K2O Al2O3 6SiO2; albit Na2O Al2O3 6SiO2)
4. Glinokrzemiany
5. Wypalanie gliny
1) Odparowanie wody z mikroszczelin masy (T~100C)
2) Rozkład składników mineralnych masy i uwolnienie związanej wody (T - 430-650)
3) Spalenie zanieczyszczeo organicznych oraz wydzielanie gazów (amtmosfera
utleniająca, T - 800-900)
4) Spiekanie oraz częściowe stapianie składników masy (T900)
5) Zakooczenie procesu stapiania, po ochłodzeniu stopione składniki tworzą szkliwo
trwale wiążące masę (T - 1300-1400)
Michał Sowa
Strona 13/15
Materiałoznawstwo
6. Dewitryfikaty
- szkła o budowie krystalicznej, cechujące się dużą odpornością na uderzanie i
ścieranie (wytrzymałośd na rozciąganie dwukrotnie większa od wytrzymałości szkieł o
budowie amorficznej).
- można je otrzymywad na dwa sposoby:
- dodając do szkła podczas procesu wytwarzania proszki srebra, złota,
magnezu, rozprowadzając je dokładnie, mieszając i napromieniowując promieniami
nadfioletowymi
- wywołując sztuczną krystalizację poprzez dodanie tlenku tytanu (ok. 10%
całej masy), następnie rozprowadzając równomiernie
Zadania rachunkowe
1. Walcowanie blahy - obliczyd wartośd odkształcenia
- h0 = 10m; h1 = 5mm; h2 = 2mm
RP1 = 0,5
RP2 = 0,6
RPs = 0,8 (nie jest sumą poszczególnych etapów)
2. Rozciąganie drutu aluminiowego, odkształcenie sprężyste - obliczyd wydłużenie przy
danym module Younga
- d = 3mm; l0 = 100m; F = 200N; EAl = 71GPa
- siła rozciągająca
- pole przkroju
- obliczyd długośd początkową dla danego %wydłużenia i lk
3. Wytrzymałośd materiału - obliczyd naprężenia i odkształcenia nominalne i rzeczywiste
- d0 = 10mm; F = 50000N; dk = 9,5mm (d - średnica)
S0l0 = Sklk
S0/Sk = lk/l0
Michał Sowa
Strona 14/15
Materiałoznawstwo
- naprężenie
- odkształcenie
4. Odkształcenie plastyczne (εp)
- δ = 630MPa; ε = 0,5%; EFe = 196MPa
ε = εs + εp
εs = δ/E
εp = ε - εs
5. Statyczna próba rozciągania - obliczyd wydłużenie εn oraz przewężenie procentowe Z
- d0 = 10mm; l0 = 100mm; po próbie w miejscu największego zwężenia dk = 5,7mm;
lk = 148mm
Michał Sowa
Strona 15/15
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)