Metale wykład
F
siły odpychające
siłyprzyciągające
długość między atomami
Na przedstawionym rysunku punkt przecięcia krzywych odpowiada odległością międzyatomowym. Siły wiązań atomów są to siły przyciągania między różno imiennymi ładunkami elektrycznymi (siły elektrostatyczne). Nazywane często są wiązaniami atomowymi.
Rozróżnia się cztery rodzaje wiązań atomowych:
a. Wiązania kowalencyjne. Polegają na tworzeniu wspólnych par. Atomy mające na powłoce walencyjnej więcej niż połowę z ośmiu możliwych na tej powłoce elektronów chętnie przyjmują elektrony. Jeżeli powłoka ta ma mniej niż połowę ośmiu elektronów walencyjnych chętnie się ich pozbywa.
Wiązania kowalencyjne tworzą się gdy na powłoce walencyjnej jest siedem, a nie osiem elektronów. Wówczas tworzy się wspólna para przynależna do jednego i drugiego atomu. W wyniku oddziaływania sił elektrostatycznych po między jednymi a wymienioną parą istnieją siły przyciągania.
b. Wiązania jonowe.
Uzupełnieni ósmego elektronu powoduje zachwianie równowagi ładunków co powoduje, że jeden atom ma ładunek dodatni a drugi ujemny powoduje to ich wzajemne przyciąganie.
Wiązania jonowe powstają w wyniku elektrostatycznego przyciągania ładunków różnoimiennych. np. atom sodu ma jeden elektron walencyjny, który może być przeniesiony do atomu chloru mającego siedem elektronów walencyjnych. W wyniku tego przemieszczenia atom sodu staje się jonem dodatnim, a atom chloru przyjmując ten elektron staje się jonem ujemnym.
c. Wiązania Van der Waalsa.
Pod wpływem działania sił zewnętrznych ładunki w jądrze ulegają przemieszczeniu co powoduje wytrącanie środków ciężkości ładunków dodatnich i ujemnych.
Wiązania Van der Waalsa powstają w skutek oddziaływania spolaryzowania atomów, powstają ,, maleńkie ‘’ dipole. Polaryzacja następuje w skutek odkształcenia powłok elektronowych. W wyniku czego środki ładunków dodatnich i ujemnych nie znajdują się w tym samym punkcie lecz są rozdzielone.
d. Wiązania metaliczne.
Pierwiastki metaliczne mają małą ilość elektronó walencyjnych. Między rdzeniami atomowymi rozmieszczona jest chmura elektronowa. Wiązania metaliczne polegają na zasadzie wiązań rdzeni atomowych za pomocą wolnych elektronów, które krążą między rdzeniami atomowymi, to znaczy między atomami pozbawionymi elektronów walencyjnych.
Atomy pierwiastków metalicznych mają małą liczbę elektronów walencyjnych i dlatego nie mogą się łączyć wcześniej opisanymi wiązaniami. Dostatecznie zbliżone atomy pierwiastka metalicznego tracą część lub wszystkie swoje elektrony walencyjne. Stając się rdzeniami atomowymi. między którymi w całej objętości metalu wspólne elektrony (chmura elektronowa) poruszają się w pewnym stopniu swobodnie. Elektrony swobodne przynależą do wszystkich rdzeni atomowych. Między ładunkami dodatnimi rdzeni atomowych i ujemnymi gazu elektronowego działają silne elektrostatyczne siły przyciągania – wiązania metaliczne.
Materiałoznawstwo jako nauka o budowie, właściwościach i metodach badań materiałów konstrukcyjnych, zajmuje się pomiędzy: składem chemicznym, budową tworzywa i procesem technologicznym jakim ono podlega, a jego właściwościami. Zależności te zazwyczaj są trudne do sprecyzowania, ze względu na dużą liczbę zmiennych jak i ilościową ocenę pewnych zjawisk. Właściwości materiału określa się pod względem stawianych mu wymagań. Nie ma materiału konstrukcyjnego spełniającego w równym stopniu wszystkie wymagania. Każdy materiał może być : odpowiedni, nieodpowiedni lub bardzo dobry, ponieważ ocena jest uzależniona od właściwego doboru właściwości tworzywa i techniki wytwarzania. Do warunków pracy, elementy i konstrukcji. Wymagania stawiane materiałom:
- dobre właściwości mechaniczne ( wytrzymałość trwałość ),
- mały ciężar właściwy,
- duża trwałość,
- dobre właściwości technologiczne,
- niska cena,
- dobre właściwości chemiczne i fizyczne.
Wiązania znajdujące się w materiale:
wiązania jonowe – Zachodzą w wyniku elektrostatycznego przyciągania się układów różnoimiennych ( zachodzi w przypadku oddania elektronu przez pierwszy atom i przyjęcia przez drugi ). wiązania atomowe ( kowalencyjne ) - zachodzą w przypadku atomów posiadających po siedem elektronów, oddziaływujące siłami elektrostatycznymi na wspólną parę elektronów.
wiązania metaliczne – atomy pierwiastków metali mają mało elektronów walencyjnych na powłoce elektronowej i oddalają się ( elektrony wędrują ).Atomy metali nie mogą tworzyć wspólnych par elektronów i łączą się wiązaniami jonowymi i atomowymi. Zbliżone atomy tracą elektrony walencyjne stając się rdzeniami atomowymi między którymi w całej objętości poruszają się elektrony. Między ładunkami dodatnimi rdzenia i ładunkami ujemnymi elektronów działają silne siły elektrostatyczne – przyciągające które utrzymują atomy w stałych odległościach.
Wiązania van der Walsa – Wskutek odkształcenia powłok elektronowych środki ładunków dodatniego i ujemnego, nie znajdują się w tym samym punkcie. Atom jest spolaryzowany, staje się dipolem który w odpowiednim położeniu przyciąga drugi dipol.
Rodzaje sieci krystalicznych ( przestrzenne ):
1) regularnie prosta – atomy na narożach sześcianu.
2) regularnie przestrzennie centralna – atomy na narożach i w centrum bryły.
3) regularna płasko-centrowana – na narożach i w środku boków.
4) sieć heksagonalna – niezależnie.
Niezależnie od typu sieci, sieć przestrzenną charakteryzują:
1) liczba koordynacyjna – liczba najbliższych i równoległych atomów od dowolnego atomu (liczba wiązań ).
2) liczba atomów przypadających na komórkę zasadniczą – wartość charakteryzująca jej wielkość.
3)wypełnienie komórki elementarnej – stosunek objętości zajętej przez atomy ( kule ) do objętości komórki elementarnej ( bryły ) wyrażonej w procentach.
Krystalizacja
Przechodzenie ze stanu ciekłego w stan stały, ma ogromne znaczenie gdyż od tego zależy rzeczywista struktura, a więc właściwości mechaniczne. Oziębienie cieczy zmniejsza ruchliwość atomów tak, że w temperaturze krzepnięcia siły wiązań gwałtownie zwiększają powodując gwałtowne zmniejszenie energii wewnętrznej układu.
Jej nadmiar wydziela się w czasie krzepnięcia w postaci ciepła, utrzymują przez cały czas trwania zmiany stanu skupienia stałą temperaturę układu pomimo strat ciepła do otoczenia. W niektórych przypadkach możemy obniżyć temperaturę krzepnięcia: dla metali o kilka stopni, dla wody o 20 stopni tworzywa jednocząsteczkowe o kilkaset. Zjawisko to jest możliwe w przypadku odizolowania ciepła od otoczenia. Podobne zjawisko możemy osiągnąć nagrzewaniu (znacznie trudniej).
Mechanizm krzepnięcia – polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i na ich wzroście. W teorii krystalizacji są dwie wartości charakteryzujące proces: 1.Szybkości zarodkowania (SZ) - jest to liczba zarodków krystalizacji tworzących w jednostce objętości cieczy, w jednostce czasu. 2.Szybkości krystalizacji (SK) – liniowa szybkość wzrostu kryształów w jednostce długości , na jednostkę czasu.
Mechanizm krystalizacji może być sterowany poprzez prędkość chłodzenia. Przy małych prędkościach chłodzenia szybkość krystalizacji dominuje nad szybkością zarodkowania – uzyskuje strukturę gruboziarnistą. Przy dużych szybkościach chłodzenia dominuje szybkość zarodkowania – uzyskujemy strukturę drobnoziarnistą.
Mechanizm zarodkowania
W ciekłym metalu zarodkiem krystalizacji jest przypadkowo pojawiająca się grupa atomów bliskiego uporządkowania pozycją położenia atomów w sieci. Zarodkiem może być wtrącenie nieczystości, warstwa tlenków, ścianki naczynia. Rozróżnia się następujące zarodki:
1) Zarodkowanie homogeniczne – polega ono na tworzeniu się zarodka w kształcie kuli w jednorodnej cieczy ( rzadko spotykamy – znaczne przechłodzenie ).
2) Zarodkowanie heterogeniczne – polega ona na tworzeniu się zarodka o kształcie czaszy kulistej na powierzchni faz stałej – jest podstawowym elementem krystalizacji metali.
Wzrost zarodka krystalizacji polega na osadzeniu się na jego powierzchni atomów z cieczy, które dzięki zmniejszeniu ruchliwości są przyłączone siłami wiązań i umiejscawiają się w położeniach odpowiadających pozycja w sieci. Szybkość krystalizacji wykazuje anizotropię. Szybkość jest największa po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami.
Podstawianie struktury dendrytycznej – Mikrostruktura materiałów metalicznych utworzona jest w wyniku krystalizacji nosi nazwę struktury pierwotnej. Dzięki dużej liczby zarodków krystalizacji, metale i stopy mają budowę polikrystaliczną. Mechanizm tworzenia się mikrostruktury polikrystalicznej ( dendrycznej ) jest następujący: W początkowym okresie zarodki rozrastają się swobodnie po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami. Ich wzrost zostaje zachowany lokalnym podniesieniem temperatury ( na skutek wydzielania się energii wewnętrznej ). W międzyczasie w innym miejscu zarodka rozpoczyna się krystalizacja i trwa również do momentu wzrostu temperatury przed frontem krystalizacji. Po pewnym czasie rusza proces krystalizacji. W wyniku zetknięcia się cieczy z zimnymi ścianami naczynia uzyskuje się dużą prędkość odprowadzenia ciepła, powoduje to uzyskanie dużej prędkości zarodkowania w wyniku czego przy ściankach naczynia pozostaje strefa drobnoziarnista, strefa ta zmniejsza szybkość odprowadzania ciepła ( izoluje ), a więc rośnie szybkość krystalizacji i zarodki rozrastają się do większych rozmiarów w kształcie równoległym równolegle do kierunku odprowadzania ciepła ( jest to strefa ziarna słupkowego. Ta strefa jeszcze bardziej zmniejsza szybkość chłodzenia i ogranicza kierunkowość odprowadzania ciepła, dlatego w tym etapie powstają ziarna równoosiowe osiągające znaczne rozmiary ( ziarna walcowe ).
a) wakansy( puste węzły), mogą się przemieszczać
b) obce atomy w węźle (atom może być większy lub mniejszy)
c) defekt Frenkla (atom wyskakuje z węzła i przeskakuje do pozycji międzywęzłowej )
d) obcy atom w pozycji międzywęzłowej
Defekty punktowe mają rozmiary rzędu odległości międzyatomowych.
Defekty liniowe zwane dyslokacjami mają w dwóch prostopadłych kierunkach wymiar stałej sieciowej a w trzecim wymiar ziarna.
a) dyslokacja krawędziowa – wakansy obok siebie tworzą tunel biegnący do granicy ziarna.
b) dyslokacja śrubowa
a w dwóch pozostałych wymiary ziarna. Są to powierzchnie rozkładu ziarna zwane granicami.
Granice mogą być: szerokokątne, wąskokątne.
Odkształcenia plastyczne metali.
W monokrysztale mogą wystąpić odkształcenia:
a) sprężyste – sprężyste ugięcie sieci, ugięcie musi być mniejsze niż odległość międzyatomowa.
b) plastyczne – powstają po usunięciu naprężeń : przez poślizg lub bliźnia kowanie.
- przez poślizg może mieć do 100 odległości międzyatomowych
- przez bliźnia kowanie – polega na skręceniu jednej części kryształu względem drugiej o kąt B naprężenie niezbędne do wywołania bliźnia kowania jest znacznie większa od naprężenia wywołującego poślizg.
Zgnioty - rekrystalizacja wtórna
Pojęciem zgniot nazywa się całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń własnych oraz właściwości wywołanych odkształceniami plastycznymi. W strukturze zgniecionego materiału można zaobserwować pod mikroskopem wpływ zgniotu. W wyniku zgniotu otrzymuje się strukturę zwaną teksturą zgniotu. W wyniku tej tekstury następuje anizotropowe umocnienie materiału. Wymienione umocnienie i kształt zgniecionego ziarna są trwałe tylko do określonej temperatury. Wyżarzenie zgniecionego materiału wywołuje w nim zmiany. Wyżarzenie w niskiej temperaturze zmniejsza natężenie własne obróbkę cieplną przy której usuwa się naprężenie własne nazywamy odprężaniem. Przy wyżarzaniu w wysokiej temp. materiał uzyskuje te właściwości które miał przed zgniotem. Zjawisko to nazywamy uzdrowieniem (nawrotem). Wyżarzenie w jeszcze wyższej temp. powoduje likwidację struktury włóknistej i odtworzenie ziarna komórkowego. Zjawisko przebudowy kryształów zgniecionych na komórkowe nazywamy rekrystalizacją pierwotną. Dalsze wygrzewanie w odpowiednio wyższej temp. powoduje rozrost ziaren. Zjawisko to nazywamy rekrystalizacją wtórną. Zjawisko rekrystalizacji wtórnej pogarsza właściwości mechaniczne i technologiczne. Zjawisko rekrystalizacji pierwotnej jest wykorzystywane w procesach obróbki plastycznej do odzyskania właściwości plastycznych utraconych podczas zgniotu. Temperaturę rekrystalizacji można w przybliżeniu kreślić według wzoru :
TR = ATtop A – współczynnik rozpuszczalności ( dla czystych metali A = 0,4 dla stopu A = 0,6 )
Omówiony proces można przedstawić na wykresie:
Wartość zgniotu ma wpływ na wielkości ziarna po wyżarzeniu. Zgniot przy którym po wyżarzeniu otrzymuje się największe ziarna, nazywa się zgniotem krytycznym. Wynika z rozważań, że obróbka plastyczna prowadzona w temp. niższej od temp. rekrystalizacji powoduje umocnienie materiału natomiast obróbka plastyczna w temp. wyższej od temperatury rekrystalizacji umocnienia nie wywołuje. Stąd wynika podział na obróbkę na zimno ( T < TR ) i na gorąco ( T > TR ). Podstawy obróbki cieplnej
Obróbka cieplna jest zabiegiem cieplnym lub kilkoma zabiegami, mającym na celu zmiany struktury stopu w stanie stałym, a przez to nadaje im żądanych właściwości mechanicznych. Jako środek do jego celu stosuje się podnoszenie lub obniżanie temp. obrabianego cieplnie materiału, oraz pewne procesy cieplno-chemiczne, cieplno-plastyczne, cieplno-magnetyczne.
Ważne znaczenie dla obróbki cieplnej ma układ równowagi żelazo-cementu, a ściśle jego fragment do zawartości 2,11% węgla.
Klasyfikacja procesów obróbki cieplnej.
Zabieg obróbki cielnej jest to określony zespół czynności: nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie obrobionego cieplnie materiału.
Zabiegi obróbki cieplnej dzieli się na:
- obróbkę cieplną zwykłą: uzyskanie właściwości następuje na drodze zmian struktury bez zmiany chemicznej: wyżarzanie, hartowanie, ulepszanie, utwardzanie, przechładzanie, wymrażanie.
- obróbka cieplno chemiczna: połączenie zabiegu cieplnego z oddziaływaniem środowiska chemicznego: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie, nasiarczanie, termo dyfuzyjne nasycanie metalami lub nie metalami.
Obróbka cieplna zwykła.
Nagrzewanie ciągłe lub stopniowe podnoszenie temp. do żądanej wartości. Nagrzewanie - stopniowe może być podgrzewanie do temp. niższej niż temp. właściwa obróbki cieplnej. Dogrzewanie – nagrzewanie podobnego materiału do obróbki właściwej.
Wygrzewanie - utrzymywanie temp. odpowiadającej danemu zabiegowi, w czasie potrzeby do wyżarzenia temp. w całym przekroju materiału.
Chłodzenie – ciągłe lub stopniowe, powolne chłodzenie nazywany studzeniem przy chłodzeniu stopniowym wyróżnia się: podchłodzenie- do temp. wyższej niż końcowa, dochładzanie – chłodzenie od temp. podchładzania do temp. końcowej.
Wyżarzanie – są to zabiegi cieplne, które w mniejszym lub większym stopniu prowadzi do stanu równowagi termodynamicznej w obrębianym stopie. Są to najczęściej: nagrzewanie do określonej temperatury, wygrzewanie chłodzenie.
Hartowanie – prowadzi do powstawania struktury nierównowagowej, celem zabiegu jest zwiększenie twardości wyrobu. Rozróżniamy dwie metody hartowania:
a) hartowanie objętościowe, polega na nagrzewaniu elementu na wskroś i może być realizowane z różnymi prędkościami studzenia i w nim rozróżniamy:
- hartowanie zwykłe (martenzytyczne) polega na ustenityzowaniu, następnie z szybkim oziębieniem,
W zależności od sposobu chłodzenia rozróżniamy:
- hartowanie przerywane (dwa ośrodki chłodzenia)
- hartowanie stopniowe
- hartowanie izotermiczne
b) hartowanie powierzchniowe, polega na austenityzowaniu jedynie cienkiej warstwy powierzchniowej przedmiotu w wyniku czego tylko w tej warstwie tworzy się struktura martenzytyczna i następuje utwardzenie powierzchni. W zależności od sposobu nagrzewania rozróżniamy:
- hartowanie płomieniowe, - hartowanie indukcyjne, - hartowanie ką...
Marcin0402