Materiałki-opracowanie opracowanie nomzec PDF

Preview

Summary

Materiałki-opracowanie opracowanie nomzec Materiałki-opracowanie opracowanie nomzec...

Description

1 MATERIAŁOZNAWSTWO OPRACOWANIE 1.

Klasyfikacja materiałów a. Oparta na sposobie uporządkowania atomów   b.

c.

 Materiały komórkowe Oparta na naturze wiązao międzyatomowych  Metale  Ceramika  Polimery Oparta na użytkowych funkcjach materiału  Tworzywa konstrukcyjne Służą do wykonywana części maszyn lub konstrukcji, przenoszą obciążenia, przeznaczone do pracy w różnych warunkach  Tworzywa funkcjonalne Materiały o właściwościach: magnetycznych, optycznych, elektrycznych, fotowoltaicznych, piezoelektrycznych  Tworzywa biomedyczne Służą do zastępowania i przejmowania funkcji uszkodzonych lun zniszczonych narządów i tkanek w żywym organizmie  Tworzywa budowlane Wykonane z surowców mineralnych (beton, cement, gips, itd..) 

2.

Materiały krystaliczne Materiały amorficzne

Tworzywa włókniste Wykonane z surowców dostarczanych przez naturę w sposób ciągły (drewno, włókna naturalne, celuloza itd.)

Charakterystyka wiązao międzyatomowych d. WIĄZANIA PIERWOTNE  Jonowe jego istotą jest elektrostatyczne oddziaływanie między jonami o różnoimiennych ładunkach, najczęściej między metalem a niemetalem.  Kowalencyjne polega na uwspólnianiu elektronów i tworzeniu tak zwanych wiążących par elektronów, które należą w jednakowym stopniu do obu atomów, tworzą się między atomami tego samego niemetalu.  Metaliczne polega na przekształceniu atomów tego samego metalu lub atomów różnych metali w zbiór kationów i swobodnie poruszających się między nimi elektronów. e. WIĄZANIA WTÓRNE  Van der Waalsa są wynikiem wzajemnego oddziaływania elektronów i jąder w cząsteczkach, polegają one na przyciąganiu się szybkozmiennych albo inaczej falujących dipoli; oddziaływania między dipolem trwałym a indukowanym (wzbudzonym).  Wodorowe rodzaj oddziaływania elektrostatycznego między atomem wodoru i atomem elektroujemnym zawierającym wolne pary elektronowe; klasyczne wiązanie wodorowe powstaje, gdy atom wodoru jest połączony wiązaniem kowalencyjnym z innym atomem o dużej elektroujemności (np. tlenem) i w ten sposób uzyskuje nadmiar ładunku dodatniego. Wiązania pierwotne są znacznie silniejsze niż wtórne.

3.

Charakterystyka metali, ceramiki, polimerów i kompozytów a. METALE I ICH STOPY Wiązania metaliczne 

Wysoka przewodnośd elektryczna

 

Wysoka przewodnośd cieplna Niskie ciepło właściwe

2

b.



Nieprzezroczyste, połysk metaliczny

 

Odkształcalne plastycznie Wysoka odpornośd na rozciąganie

 Odpornośd na udar (udarnośd – odpornośd materiału na pękanie przy obciążeniu dynamicznym) Proces technologiczny - procesy metalurgiczne Odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, metalurgia proszków; właściwości kształtowane metodami obróbki cieplnej i powierzchniowej POLIMERY Wiązania kowalencyjne oraz wtórne  

Niska gęstośd Giętkie i odkształcalne

 

Nie nadają się do pracy w podwyższonej temperaturze Mała przewodnośd cieplna i elektryczna



Wykazują tendencję do przezroczystości

Składniki tworzyw sztucznych: antyutleniacze i inne.

monomery,

barwniki/pigmenty,

katalizatory,

napełniacze,

zmiękczacze,

Podstawowe grupy

c.

d.

4.

 Plastomery (polimery termoplastyczne – termoplasty, polimery utwardzalne – duroplasty)  Elastomery CERAMIKA Wiązania jonowe oraz jonowo-kowalencyjne lub kowalencyjne 

Wysoka twardośd

 

Wysoka kruchośd Odpornośd na działanie wysokich temperatur

 Odpornośd na działanie agresywnego środowiska  Mała przewodnośd i rozszerzalnośd cieplna  Dobry izolator elektryczny KOMPOZYTY Niejednorodna mieszanina kilku trwale połączonych faz/materiałów; właściwości i cechy strukturalne kompozytu wyższe od właściwości każdego z materiałów składowych.

Budowa krystaliczna materiałów Prosta sieciowa - łączy środki dowolnych dwóch atomów w krysztale. Węzły sieci – atomy. Parametr sieci (podstawowy period identyczności) – najbliższa odległośd atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej (z węzłami tylko w narożnikach komórek). Przesunięcie, tzw. translacja prostej sieciowej, o period identyczności w kierunku różnym od kierunku prostej powoduje znalezienie płaszczyzny sieciowej. Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w kierunku nierównoległym tworzy sied przestrzenną. Elementarna komórka sieciowa Jest tworzona przez trzy rodziny równoległych płaszczyzn sieciowych dzielących sied przestrzenną na identyczne równoległościany o parametrach i stanowiących podstawowe parametry sieci (periody identyczności). Opisywana przez parametry sieci i oraz katy między nimi zawarty Kryształ charakteryzuje się symetrycznym ułożeniem elementów sieci przestrzennej.

3 5.

Wskaźniki elementów sieci przestrzennych wskaźniki węzłów, kierunków, płaszczyzny x (a) 3 1/3 5/15 (5

y (b) 3 1/3 5/15 5

z (c) 5 1/5 3/15 3)

liczba periodów identyczności odwrotnośd sprowadzenie do wspólnego mianownika liczniki stanowią wskaźniki płaszczyzn

Wskaźniki płaszczyzn krystalograficznych – wskaźniki Millera podaje się w nawiasach okrągłych, a wskaźniki rodziny płaszczyzn w klamrach 6.

Układy i sieci krystalograficzne metali

W ramach układów krystalicznych występuje łącznie 14 typów sieci przestrzennej Bravais’go. Cztery sposoby centrowania: P – prymitywne; C – centrowanie na podstawach; F – centrowanie na wszystkich ścianach; I – centrowanie przestrzenne.

UKŁAD

MOŻLIWE SIECI

regularny tetragonalny rombowy jednoskośny trójskośny heksagonalny trygonalny

P, I, F P,I P, I, F, C P, C P P P

Metale krystalizują wyłącznie w pięciu układach krystalograficznych:  regularnym  heksagonalnym 

tetragonalnym

 

rombowym romboedrycznym

Większośd metali krystalizuje w sieciach:  

A1 – ściennie (płasko) centrowanej układu regularnego (RSC) A2 – przestrzennie centrowanej układu regularnego (RPC)



A3 – heksagonalnej o gęstym ułożeniu atomów (HGU), zwanej heksagonalną zwartą (HZ) We wszystkich tych sieciach występują luki oktahedryczne (na środkach podstaw i płaszczyzny środkowej) i tetrahedryczne (na środkach przekątnych sześcianu).

4

7.

Wady budowy krystalicznej Wady ze względu na ich cechy geometryczne dzielimy na: a.

PUNKTOWE  Wakanse – wolne węzły w sieci krystalicznej (kontrakcja sieci krystalicznej)  Atomy międzywęzłowe – zajmują pozycję w lukach, opuszczając węzły sieci na skutek drgao cieplnych (ekspansja sieci krystalicznej)

Wady punktowe spowodowane są opuszczaniem przez rdzenie atomowe pozycji w węźle sieci krystalicznej. Są to procesy aktywowane cieplnie (wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgao cieplnych)  

Defekt Schottky’ego – polega na przemieszczeniu się atomu w miejsce sąsiadującego wakansu, w wyniku czego powstaje wakans w innym miejscu sieci Defekt Frenkla – polega na przemieszczaniu się rdzenia atomowego z pozycji węzłowej do przestrzeni międzywęzłowej (jednoczesne utworzenie wakansu i atomu międzywęzłowego)

Samodyfuzja – zjawisko przemieszczania się atomów we własnej sieci krystalicznej (ruch wakansów związany z ruchem atomów opuszczających pozycje węzłowe) b.

LINIOWE  Dyslokacja krawędziowa - poprzez wprowadzenie dodatkowej płaszczyzny między nieco rozsunięte płaszczyzny sieciow (T- dyslokacja ujemna, ꓕ - dyslokacja dodatnia). Dyslokacja jest charakteryzowana przez wektor Burgersa 󰇍󰇍 , który określa wielkośd dyslokacji i wywoływane przez nią odkształcenie. Wektor ten wyznacza się tworząc tzw. kontur Burgersa. Dyslokacja krawędziowa ma wektor Burgersa prostopadły do swojej linii, a dyslokacja śrubowa równoległy.

Ruch (poślizg) dyslokacji



Dyslokacja śrubowa – spowodowana przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej.

5 

Dyslokacja mieszana – to dyslokacja o dowolnej orientacji wektora Burgersa względem linii dyslokacji, są to najczęściej nałożone na siebie dyslokacje krawędziowe i śrubowe.

Gęstośd dyslokacji – całkowita długośd linii dyslokacji przypadająca na jednostkę objętości kryształu. Odpychanie i anihilacja dyslokacji. Dwie jednoimienne dyslokacje krawędziowe lub śrubowe, przemieszczające się w tej samej płaszczyźnie poślizgu odpychają się wzajemnie. Dwie dyslokacje o przeciwnie skierowanych wektorach Burgersa (różnoimienne) – zarówno krawędziowe jak i śrubowe – przyciągają się. Następuje zlikwidowanie obydwu dyslokacji reagujących ze sobą – anihilacja dyslokacji różnoimiennych. Wspólna płaszczyzna poślizgu > struktura doskonała Równoległe płaszczyzny poślizgu > rząd wakansów 8.

Polikrystaliczna struktura metali Metale w stanie stałym mogą występowad jako:  monokryształy charakteryzują się prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym atomów z zachowaniem jednakowej orientacji wszystkich elementarnych komórek sieciowych w całej objętości kryształu; są ciałami anizotropowymi – wykazują silną zależnośd właściwości fizycznych, mechanicznych i innych od kierunku pobrania próbki. polikryształy składają się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną, ale są ułożone względem siebie w sposób przypadkowy; są to materiały quasi-izotropowe – przypadkowa orientacja krystaliczna decyduje o niemal jednakowych właściwościach tych materiałów w różnych kierunkach. Wady powierzchniowe Podział zależy od kąta dezorientacji krystalicznej tj. kąta utworzonego między głównymi kierunkami orientacji krystalicznej dwóch sąsiadujących elementów krystalicznych. Granice ziarn: 

9.





wąskokątowe  powstają w miejscu zetknięcia podziarn 

charakteryzują się niewielkim katem dezorientacji krystalicznej

 

mają budowę dyslokacyjną wyróżnia się granice wąskokątowe daszkowe i skrętne

szerokokątowe  duży kąt dezorientacji krystalicznej na styku ziaren, na których powstają  na granicach powstaje strefa miejsc koincydentnych tj. jednoczesnych, tworzących supersied przestrzenną, nakładającą się na sied przestrzenną sąsiadujących ze sobą ziarn  

w strefie granicy ułożenie atomów jest zaburzone granica nie jest płaska, lecz zawiera liczne dyslokacje oraz protuzje tj. wybrzuszenia i występy

W zależności od dopasowania sieci sąsiadujących faz wyróżnia się granice:  

koherentne – dobre dopasowanie niekoherentne – brak dopasowania sieci



półkoherentne – częściowe dopasowanie, dyslokacje na granicy faz

10. Wpływ wad budowy krystalicznej na własności metali Występowanie dyslokacji w sposób istotny wpływa na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wykazują, że metale o idealnej budowie krystalicznej powinny posiadad wytrzymałośd determinowaną siłą wiązania atomowego, a więc dwa do trzech rzędów wielkości wyższą od obserwowanej dla metali technicznych. Różnice przypisuje się występowaniu

6 zjawiska plastyczności. O ile przykładowo w ceramikach siła wywołująca zniszczenie materiału niezbędna jest do zerwania wszystkich wiązao naraz w pewnej określonej płaszczyźnie, o tyle w przypadku metali przyłożenie znacznie mniejszej siły wystarcza w zupełności do wywołania poślizgu dyslokacji. Poślizg dyslokacji nie oznacza przy tym ruchu atomów; przeciwnie, proces ten jest równoznaczny jedynie ze zrywaniem w określonym momencie wiązao tylko szeregu atomów bliskich osi dyslokacji. Wzrost własności wytrzymałościowych materiałów inżynierskich osiągany jest przez stosowanie m.in. materiałów drobnokrystalicznych i nanomateriałów o ogromnej liczbie gran ic ziaren oraz umocnienie dzięki wydzieleniom faz o dużej dyspersji oraz znacznemu wzrostowi gęstości dyslokacji wskutek odkształcenia plastycznego na zimno. 11. Struktura krystaliczna i amorficzna materiałów Amorficznośd (bezpostaciowośd, niekrystalicznośd) – brak porządku dalekiego zasięgu w układzie przestrzennym w ciele stałym. Struktury bezpostaciowe wykazują materiały ceramiczne i polimery oraz metale (szkła metaliczne). *Szkła metaliczne otrzymuje się przez bardzo szybkie chłodzenie cieczy metalowej do temperatury niższej od temperatury krystalizacji. Są metastabilne, w trakcie wygrzewania w odpowiednio wysokiej temperaturze i długim czasie osiągają strukturę równowagową. Polimorfizm lub alotropia – skłonnośd materiałów do przebudowy sieci krystalicznej pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia. Odmiany alotropowe oznaczane zwykle greckimi literami chemicznymi i wytrzymałościowymi.

mogą się różnid właściwościami fizycznymi,

12. Fazy, mieszaniny faz i stopy metali Faza – jednorodna częśd niejednorodnego układu oddzielona granicami międzyfazowymi. Poszczególne fazy charakteryzują się różnym sposobem ułożenia atomów w przestrzeni lub/i składem chemicznym: pierwiastek (czysty składnik), roztwór pierwiastka z innym, związek. Faza (gazowa, ciekła, stała) jest stabilna tylko w określonym przedziale temperatur T, ciśnieo p i składu chemicznego C . Zmiana dowolnego z tych parametrów może wywoład zmianę warunków równowagi, przyczyniając się do zmiany stanu skupienia danej substancji, czyli powodując jej przemianę fazową. Stanowi to podstawę do wykreślania wykresów równowagi fazowej, które pokazują jakie fazy będą występowały w danych warunkach. Liczba, rodzaj i właściwości faz są uzależnione od składu chemicznego stopu. Zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej nazywamy układem . Stop metalu:  

substancja dwu- lub wieloskładnikowa, makroskopowo wykazująca właściwości metaliczne co najmniej jeden z głównych składników jest metalem



składnikami stopów są sustancje proste, np. pierwiastki, lub złożone, np. związki nie ulegające przemianą

 

wiązania głównie metaliczne, ale mogą wystąpid również inne skład chemiczny stopów jest wyrażany przez:  



stężenie masowe składników stężenie atomowe składników

wytwarzane głównie przez topienie i krystalizację ze stanu ciekłego

W wyniku krystalizacji, z cieczy, która jest zwykle roztworem wszystkich składników stopu, mogą powstad : roztwory stałe, fazy międzymetaliczne , mieszaniny faz. ROZTWÓR STAŁY – jednorodna faza krystaliczna, której skład chemiczny może byd zmieniany w określonym zakresie, bez powodowania skokowej zmiany budowy fazowej czy właściwości. Jest utworzony z sieci atomów

7 rozpuszczalnika, w której rozpuszczone są atomy pierwiastka rozpuszczonego. Roztwory stałe mogą byd:  

podstawowe – rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu – zachowuje strukturę sieciową taką sama, jak czysty pierwiastek rozpuszczalnika wtórne – rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna

W zależności od zakresu stężenia składnika rozpuszczonego roztwory stałe można podzielid na: 

ciągłe – nieograniczona rozpuszczalnośd składników w stanie stałym w całym zakresie stężeo, tworzone przez pierwiastki o tym samym typie sieci i zbliżonej wielkości atomów



graniczne – ograniczona rozpuszczalnośd

Roztwory stałe w zależności od rozmieszczenia atomów mogą byd: 

międzywęzłowe – atomy pierwiastka rozpuszczonego są usytuowane chaotycznie w przestrzeniach międzywęzłowych sieci pierwiastka będącego rozpuszczalnikiem, zwykle metal z niemetalem o małych atomach (głównie C,N,H,B). Są to roztwory graniczne, w których rozpuszczalnośd zmienia się z temperaturą.



różnowęzłowe – atomy metalu rozpuszczonego zajmują przypadkowe pozycje w dowolnych węzłach sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika. Mogą byd ciągłe lub graniczne.

W zależności od stosunku średnic atomów rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego, sied krystaliczna może ulegad ekspansji (kiedy atomy pierwiastka rozpuszczanego są większe) lub kontrakcji (kiedy są mniejsze od atomów rozpuszczalnika. FAZY MIĘDZYMETALICZNE (pośrednie) – połączenie metali lub metali z niemetalami, wykazujące właściwości metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego między atomami wchodzącymi w skład fazy. Charakterystyczne cechy: 

struktura różni się od struktury każdego ze składników



atomy każdego ze składników wykazują uporządkowanie rozmieszczenie w sieci krystalicznej

 

przewaga wiązao metalicznych fazy międzymetaliczne tych samych pierwiastków mogą się różnid stosunkiem liczby atomów poszczególnych składników



występują przy ściśle określonych stężeniach stopu, chociaż mogą występowad również w pewnym zakresie stężeo i tworzyd roztwory stałe wtórne (różnowęzłowe, międzywęzłowe, pustowęzłowe)

MIESZANINY FAZ 

występują kiedy w stopie znajdują się co najmniej dwie fazy w stanie rozdrobnienia, oddzielone od siebie granicami międzyfazowymi



każda faza ma określony skład chemiczny, strukturę krystaliczną i właściwości

 

mieszaniny faz mają zwykle lepsze właściwości wytrzymałościowe i mniejszą plastycznośd od poszczególnych faz mieszaniny występujące jako struktury w stopach metali mogą byd typu:  eutektycznego Eutektyka – mieszanina dwóch lub więcej faz o określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych w pewnej temperaturze, zwanej temperaturą eutektyczną.  perytektycznego Perytektyka – składnik strukturalny stopów, faza powstająca w wyniku przemiany fazowej, która w układzie dwuskładnikowym zachodzi z udziałem fazy ciekłej (L) i dwóch faz stałych.

8

13. Równowaga termodynamiczna układu i energia swobodna Stopy metali wykazują trwałośd budowy fazowej w stanie równowagi termodynamicznej, która zostaje osiągnięta, gdy energia swobodna układu uzyska minimum lub gdy potencjały chemiczne składników we wszystkich fazach układu staną się sobie równe i ustaje ich przepływ przez granice fazowe. Energia swobodna Heimholza Jeżeli układ znajduje się w stanie równowagi oraz temperatura i objętośd są ustalone, to funkcja energii swobodnej Heimholza F, zwana także potencjałem termodynamicznym , osiąga swoje minimum. E – energia wewnętrzna układu T – temperatura bezwzględna S – entropia – funkcja stanu, proporcjonalna do ilości materiału, określa równowagę układu oraz kierunek przemiany Energia swobodna Gibbsa Jeżeli układ znajduje się w stałej temperaturze i działa na niego stałe ciśnienie, to po ustaleniu się równowagi energia swobodna Gibbsa G osiąga minimum.

Trwała jest faza o mniejszej energii swobodnej. Reguła dźwigni – zasada interpretacji wykresów fazowych, umożliwiająca określanie udziałów dwóch faz znajdujących się w stanie równowagi w obszarach współistnienia . W ustalonej temperaturze, stopie składającym się z dwóch faz α i β, które zawierają dwa pierwia stki A i B, korzystając z reguły dźwigni możemy znaleźd procent masowy α w punkcie

a - % masowy pierwiastka B w fazie α, b - % masowy pierwiastka B w fazie β c - % masowy pierwiastka B w całym stopie

9 Reguła faz Równowagę faz opisuje reguła faz Gibbsa

f – maksymalna liczba faz s – stopnie swobody – parametry określające stan termodynamiczny układu n – liczba składników, można przyjąd liczbę pierwiastków w układzie

Dla stopów dwuskładnikowych (dla p=const), reguła faz przybiera postad 14. Dwuskładnikowe układy równowagi fazowej:  o zupełnej rozpuszczalności składników w stanie stałym Tworzone przez izomorficzne składniki A i B rozpuszczające się wzajemnie przy dowolnych stosunkach ilościowych – w stanie ciekłym i stałym likwidus – linia przedstawiająca na wykresie równowagi wartośd temperatury, powyżej których stopy w całym zakresie stężeo s...