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
- 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...
hermiasta