opracowane zagadnienia - materialoznawstwo1.docx

(491 KB) Pobierz
wersja 10

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.

2.      Wiązania jonowe (pierwotne między atomami)

- bezkierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych

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

3.      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.

4.      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)

5.      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 Tg

- 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

6.      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

7.      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)

8.      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

9.      Tekstura w polikrysztale

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

- wzrostu (kryształów w odlewach), - rekrystalizacji,


 

Defekty punktowe i liniowe w materiałach krystalicznych

10.  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

11.  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

12.  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

13.  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)

14.  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

15.  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

16.  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)

17.  Ruch dyslokacji w krysztale

- poślizg (gdy w płaszczyźnie poślizgu występują naprężenia styczne)

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

18.  Spiętrzenie dyslokacji przed przeszkodą

- wzrost oporu przeciwko dalszemu poślizgowi dyslokacji

19.  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.)

20.  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

21.  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,

22.  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

23.  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),

24.  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

25.  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

26.  Bliźniacze granice ziarn

- szerokokątowa granica specjalna

- określona orientacja obu ziaren,

- idealne sprzężenie sieci wzdłuż tej samej płaszczyzny,

- bardzo mała energia granicy (łatwość powstawania),

27.  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

28.  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

29.  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

30.  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

31.  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

32.  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)

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

- kiedy granica jest niekoherentna: kuliste kryształy

- kiedy koherentna: kryształy w kształcie płytek

34.  Kształt wydzieleń drugiej fazy na granicach ziarn pierwszej fazy

- przyjmują kształt zapewniający równowagę napięć powierzchniowych

- tworzą się soczewkowe kryształy

 

Rodzaje faz stałych w stopach

35.  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)

36.  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

37.  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

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

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

39.  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

40.  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 węz...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin