materialoznawstwo.doc

Wstęp

1.       Wiązania metaliczne (pierwotne między atomami)

występują w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu na małą odległość oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów. Przemieszczają się one swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi, tworząc gaz elektronowy.
Wiązanie to jest: bezkierunkowe, silne, ruchliwy gaz elektronów swobodnych, wysoki stopień upakowania.

Materiały: plastyczność, nieprzezroczystość, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne.

2.       Wiązania jonowe (pierwotne między atomami) np.NaCl

powstają gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektro ujemy. W ten sposób oba atomy uzyskują oktetowe konfiguracje elektronowe. Duża rezystywność, oporność cieplna i kruchość.

Wiązanie to jest: bezkierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych.

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

3.       Wiązania kowalencyjne (pierwotne między atomami), inaczej atomowe, np. diament

u atomów pierwiastków elektroujemnych – zwykle gazów – elektrony walencyjne obu atomów tworzą pary należące do obu pierwiastków.
Wiązanie to jest: kierunkowe, bardzo silne, brak elektronów swobodnych, niski stopień upakowania.

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

4.       Stan  krystaliczny materiału,

Cechy sieci krystalicznej:

Liczba koordynacji (lk), jest to cecha definiująca strukturę krystaliczną (maksymalnie – 12)

Liczba atomów przypadająca na jedną komórkę elementarną (la)

Współczynnik wypełnienia (ww – maksymalnie 74%)

Kształt, rozmiar i ilość luk między atomami węzłowymi

Luki między węzłowe mają duże znaczenie w przypadkach:

-w stopach metali możliwość rozmieszczenia obcych atomów

-w strukturze ceramiki rozmieszczenie kationów w lukach między węzłami

Struktura materiałów inżynierskich:

-krystaliczna (metale, ceramiki)

-bezpostaciowa (polimery, szkła)

-częściowo krystaliczna (polimery, ceramiki, szkła)

Struktura krystaliczna charakteryzuje się:

- regularnością atomów, cząsteczek zachowując przestrzenną symetrię

- każdy atom ma jednakową liczbę najbliższych i równoległych sąsiadów (liczba koordynacji –lk)

- atomy ułożone są w okresowo powtarzających się odstępach w trzech nierównoległych kierunkach.

5.       Stan amorficzny (szklisty) materiału,

Jest stanem pośrednim pomiędzy stanem ciekłym a stałym.

Każda ciecz może przejść w stan szklisty – zależy od temperatury ochładzania.

Temperatura zeszklenia (Tg), to zakres temperatur w której lepkość cieczy osiągnie wartość około 104-106 Nsm-2,

W temperaturach poniżej Tg tworzy się materiał znany jako szkło.

W polimerach stan lepkiej cieczy jest oddzielony od stanu szklistego stanem wysokoplastycznym (kauczokopodobnym)

Przykłady:

-polimery o łańcuchach ataktycznych, silnie rozgałęzionych.

-nieskrystalizowane ceramiki (szkła)

-szkła metaliczne

6.       Polimorfizm (alotropia) materiału,

a.        Polimorfizm (różnopostaciowość) – zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tej samej substancji. Występuje ono wtedy, gdy Ta sama substancja może występować w dwóch lub nawet kilku formach krystalicznych. Odmiany polimorficzne nie są różnymi stanami skupienia, ale są różnymi fazami materii, przejścia z jednej odmiany do drugiej są przemianami fazowymi pierwszego rzędu. Nie zachodzą one jednak w ściśle określonych temperaturach lecz są zależne od termicznej historii próbek. Powoduje to, że dany związek może występować w dwóch różnych odmianach polimorficznych w tej samej temperaturze. Istnieje też możliwość uzyskiwania różnych form polimorficznych poprzez krystalizację związków chemicznych w ściśle określony sposób.:

i.   Jednym z najlepszych przykładów różnopostaciowości jest węglan wapniowy (CaCO3), Występuje jon jako pospolity kalcyt lub jako znacznie rzadszy minerał aragonit. Minerały te różnią się twardością i układem krystalograficznym.

ii. węgiel (C) – występuje w przyrodzie jako diament (układ regularny) i jako grafit (układ heksagonalny).

iii.                      Dwusiarczek żelaza (FeS2) – występuje jako piryt i markasyt.

iv.                      Węglik krzemu (SiC) – występuje w formie jednoskośnej α i w formie romboidalnej β.

7.       Anizotropia kryształu (monokryształu),

zależność własności fizycznych (rozszerzalność termiczna, przewodnictwo elektryczne, współczynnik załamania światła) i chemicznych (szybkość wzrostu i rozpuszczania) kryształu od kierunku przestrzennego. Anizotropia kryształów jest konsekwencją uporządkowanej struktury krystalicznej.

8.       Quasi-izotropia polikryształu,

a.        ciała prawie izotropowe np. płyty wiórowe. Komórki elementarne ciał krystalicznych składają się na ziarna, co powoduje, że też są quasiizotropowe.

9.       Tekstura w polikrysztale,

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

- wzrostu (kryształów w odewach)

- rekrystalizacji

Defekty punktowe i liniowe w materiałach krystalicznych

10.    Wakans (defekt punktowy) w krysztale,

Zakłócenia periodycznej budowy sieci krystalicznej, spowodowane brakiem atomu lub jonu w określonym węźle sieci albo obecnością dodatkowego atomu w pozycji międzywęzłowej. Stężenie takich defektów zależy od temperatury oraz od rodzaju i ciśnienia otoczenia kryształu.
 

11.    Odkształcenie plastyczne w metalach,

Plastyczność metali (kowalność) jest to zdolność metali do odkształcenia się podczas obróbki mającej na celu trwałą zmianę kształtu i wymiarów obrabianego przedmiotu.
Odkształcenie plastyczne następuje przez poślizg lub bliźniakowanie

12.    Linie i pasma poślizgu w kryształach metali,

Poślizg - jest to przesunięcie się jednej części kryształu względem drugiej..

13.    Płaszczyzny i kierunki łatwego poślizgu w sieciach krystalicznych metali,

Poślizg zachodzi najłatwiej na płaszczyźnie najgęściej upakowanej atomami, wzdłuż kierunku na którym się one stykają – tworzą one system poślizgu.

14.    Dyslokacja krawędziowa w krysztale,

Stanowi krawędź ekstrapłaszczyzny – półpłaszczyzna sieciowa umieszczona między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. Dyslokacje mogą być dodatnie „┴” lub ujemne „┬”.
 

15.    Dyslokacja śrubowa w krysztale,

Defekt kryształu spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi. Wyróżniamy prawo i lewo skrętne.

16.    Energia dyslokacji, czyli energia odkształceń sprężystych sieci

Edysl=α*G*b2

α – stała zależna od rodzaju dyslokacji

G – moduł Kirchoffa

b – wektor Burgersa

17.    Ruch dyslokacji w krysztale,

Dyslokacje jednoimienne odpychają się, a różno imienne przyciągają się.

Czyli ┴ + ┬ = ╪

18.    Spiętrzenie dyslokacji przed przeszkodą,

Wzrost oporu przeciw dalszemu poślizgowi dyslokacji

19.    Efekt umocnienia w wyniku spiętrzenia dyslokacji,

Zjawisko wzrostu twardości i wytrzymałości oraz pogorszenie plastyczności jest wynikiem spiętrzenia dyslokacji przed przeszkodami którymi mogą być: granice ziaren, wydzielenia innych faz, krzyżowanie się aktywnych systemów poślizgu.

20.    Gęstość dyslokacji w polikrysztale metalu – wpływ na własności,

Wzrost gęstości dyslokacji wpływa na umocnienie metalu lecz pogarsza jego plastyczność.

Defekty płaskie w materiałach krystalicznych

21.    Granice ziarn (między ziarnami tej samej fazy),

- szerokokątowe

- wąskokątowe

22.    Wąskokątowa granica ziaren (małego kąta),

Od 0 do 15o. Dzieli się na wąskokątową granice nachyloną (daszkowa) oraz skręconą.

23.    Energia granic wąskokątowych,

- jest równa sumie energii dyslokacji tworzących granicę

- od pewnej wartości kąta α zależność staje się nieliniowa.

24.    Szerokokątowa granica ziarn (dużego kąta dezorientacji),

Struktura i właściwości tych granic są w fazie badań. Dzieli się je na : koincydentne i bliźniacze

25.    Energia granic szerokokątowych,

- budowa granic szerokokątowych oraz energia nie zależy od kąta za wyjątkiem granic specjalnych (koincydentnych oraz bliźniaczych)

- przyjmuje się liczbową odpowiedniość energii granicy б (skalar) oraz napięcia powierzchniowego γ (wektor)

- siły γ dążą do skrócenia granicy czyli zmniejszenia energii polikryształu.

26.    Bliźniacze granice ziarn,

Jest to szerokokątowa granica specjalna. Charakteryzuje się: określoną orientacją obu ziaren, idealnym sprzężeniem sieci wzdłuż tej samej płaszczyzny oraz bardzo małą energią granicy (tzn. łatwość powstawania). Powstają podczas odkształcania plastycznego.

27.    Energia granic bliźniaczych,

Zależy od kąta pod jakim granice te występują.

28.    Bliźniakowanie w kryształach,

polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach. Pod działaniem naprężenia stycznego, następuje przesunięcie względem siebie kolejnych warstw atomowych wskutek ruchu poślizgowego części dyslokacji. Zbliźniakowana część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania.
Ogólnie bliźniakowanie zachodzi, jeżeli nie może nastąpić poślizg

29.    Koherentna granica międzyfazowa (miedzy ziarnami różnych faz), inaczej sprzężone

- na tej granicy nie ma nieprawidłowości w rozmieszczeniu atomów (bardzo mała energia granicy)

- warunkiem pełnego sprzężenia jest równoległość i szerokość granic sprzężenia.

30.    Półkoherentna granica międzyfazowa, (półsprzężone)

- półkoherentna z odkształceniami sprężystymi (niezgodność stałych sieciowych nie mniejsza niż 10%)

energia granicy Egr=100mJ/m2

- półkoherentna z dyslokacjami dopasowującymi (niezgodność stałych sieciowych większa niż 10%)

Energia granicy Egr= od 200 do 500 mJ/m2

31.    Niekoherentna granica międzyfazowa, (niesprzężona)

- liczne zaburzenia w prawidłowym rozmieszczeniu atomów (budowa podobna do szerokokąwych granic ziaren)

- kształt wydzieleń zaokrąglony (minimalizowanie energii) w środku ziarna kulisty, a na granic soczewkowy.

Wysoka energia granicy Egr=1000mJ/m2

32.    Energia granic międzyfazowych,

Dla granic koherentnych bardzo mała energia, dla półkoherentnych od 100 do 500, a dla niekoherentnych 1000mJ/m2

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

34.    Kształt wydzieleń drugiej fazy na granicach ziaren pierwszej fazy,

a.        Kształt: kulistych kryształów, czternastościanów, płytek, soczewkowych kryształów 

Rodzaje faz stałych w stopach

O rodzaju powstającej fazy decyduje charakter i wielkość sił wzajemnego oddziaływania miedzy jednakowymi i różnymi atomami, w przybliżeniu oddaje to energia możliwych wiązań EAA, EBB, EAB (jako energia potencjalna)

35.    Warunki powstawania roztworu stałego podstawowego,

Jeżeli EAA= EBB, EAB tzn. atomom obojętne jest kto obok nich stoi

- wówczas powstałe fazy nazywamy roztworami stałymi A(B) lub B(A) i oznaczamy je zwykle α, β, γ itd.

36.    Warunki powstawania fazy pośredniej, np. międzymetalicznej,

Jeżeli EAA, EBB>> EAB tzn. obok siebie chcą stać atomy różne – występują wiązania chemiczne

- wówczas powstają fazy pośrednie AnBm

37.    Sieć krystaliczna w roztworach stałych podstawowych (ogólnie),

a.        Jest zachowana sieć krystaliczna rozpuszczalnika (A lub B), tzn również większość właściwości

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

To najogólniej związki chemiczne między atomami metali, półmetali (metaloidów) i niemetali.

-powstają gdy siły wzajemnego oddziaływania między atomami różnymi są większe niż między jednakowymi.

39.    Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w roztworze stałym podstawowym,

40.    Rozmieszczenie atomów (A i B w układzie dwuskładnikowym) w fazie pośredniej, np. międzymetalicznej,

Rozmieszczenie atomów każdego ze składników w tej nowej, odmiennej sieci jest uporządkowane.

41.    Własności roztworu stałego podstawowego są wynikiem:

a.        - Roztwór stały jest nazywany roztworem stałym podstawowym, gdy rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu

b.        - Roztwory stałe podstawowe zachowują strukturę sieciową taką samą, jak czysty metal rozpuszczalnika

42.    Własności fazy pośredniej, np. międzymetalicznej są wynikiem:

Wykresy równowagi fazowej

43.    Liczba stopni swobody (reguła faz Gibasa) i jej wpływ na kształt krzywych chłodzenia i nagrzewania,

O budowie fazowej stopów (jakie i ile faz istnieje) w stanie równowagi decydują trzy parametry: temperatura, ciśnienie oraz stężenie poszczególnych składników....