Zagadnienia na koÅ‚o, III Semestr, Materiałoznastwo II
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1)Wiązania międzyatomowe (metaliczne, kowalencyjne, jonowe, Van der Wasala). Wpływ typu wiązania na
właściwości materiału.
###
Właściwości wynikające z wiązania metalicznego:
•
dobra przewodność elektryczna i cieplna
wynikająca z obecności gazu elektronowego
•
dobra plastyczność
– podczas przemieszczenia atomów względem siebie wiązanie nie ulega zerwaniu
•
połysk metaliczny
na skutek oddziaływania światła z gazem elektronowym
•
spadek przewodności elektrycznej z temperaturą
spowodowany większą ilością zderzeń swobodnych elektronów z
silniej drgającymi atomami.
###
Właściwości wynikające z wiązania kowalencyjnego:
•
mała przewodność elektryczna
– przewodność zapewniają elektrony, które na skutek ruchów cieplnych oderwały się
od atomów i jest ich mało
•
przewodność elektryczna rośnie z temperaturą –
rośnie ilość elektronów, które zerwały wiązania
•
wysoka temperatura topnienia
– wiązania są silne (nie dotyczy to polimerów gdyż w nich występują jeszcze słabe
wiązania Van der Waalsa)
•
kruchość (brak plastyczności)
– wiązania mają określony charakter przestrzenny, trudno je odtworzyć po
przemieszczeniu się atomów (nie dotyczy polimerów)
•
wysoka odporność chemiczna
– atomy mają zapełnione powłoki i trudno wchodzą w reakcje chemiczne
•
wysoka twardość
wynikająca z silnych wiązań i braku plastyczności (nie dotyczy polimerów).
###
Właściwości wynikające z wiązania jonowego:
•
mała przewodność elektryczna
– przewodność zapewniają elektrony, które na skutek ruchów cieplnych oderwały się
od atomów i jest ich mało oraz jony, które są duże i mają utrudnione możliwości poruszania się w materiale
•
przewodność elektryczna rośnie z temperaturą
– rośnie ilość elektronów, które zerwały wiązania oraz zwiększa się
swoboda ruchu jonów
•
wysoka temperatura topnienia
– wiązania są silne
•
kruchość (brak plastyczności)
– wiązania mają określony charakter przestrzenny, trudno je odtworzyć po
przemieszczeniu się atomów
•
wysoka odporność chemiczna
– atomy mają zapełnione powłoki i trudno wchodzą w reakcje chemiczne
•
wysoka twardość
wynikająca z silnych wiązań i braku plastyczności.
###
Właściwości wynikające z wiązania Van der Waalsa:
•
plastyczność –
łańcuchy mogą się przesuwać względem siebie
•
mała twardość
•
niska temperatura topnienia
– wiązania słabe
•
brak przewodności elektrycznej –
brak swobodnych elektronów i jonów
•
niska przewodność cieplna
, drgania atomów są tłumione
2)Właściwości mechaniczne; wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie, praca
łamania, twardość. Metody ich wyznaczania.
###
Właściwości mechaniczne
–
odpowiedzi materiału na działanie obciążeń (przyłożonych do materiału sił
zewnętrznych, siły grawitacji, ciśnienia gazów lub cieczy).
###
Wytrzymałość na rozciąganie
R
m
-to
dpowiadające największej sile rozciągającej
F
m
uzyskanej w
czasie
odniesionej do pierwotnego przekroju poprzecznego tej próbki:
[
]
---Wyznaczenie modułu Younga metoda statyczna
Do pomiaru wydłużenia części pomiarowej próbki wykorzystuje się zwykle ekstensometry.
###
Pomiary twardości-
Pomiar polega na wciskaniu w materiał wgłębnika (penetratora).
---Metoda Brinella- może być stosowana tylko do materiałów miękkich lub średnio twardych (wgłębnik: kulka stalowa
lub z węglika wolframu o średnicy 10; 5; 2,5; 2 lub 1 mm)
---Metoda Vickersa- jest najbardziej uniwersalna, może być stosowana do wszystkich materiałów (od miękkich do bardzo
twardych) (wgłębnik: piramidka diamentowa (ostrosłup o podstawie kwadratu)).
---Metoda Rockwela C- (wgłębnik: stożek diamentowy o kącie 120*, obciążenie 1471 N) – może być ona stosowana
tylko do materiałów twardych.
###
Praca łamania
-
Pracę łamania, oznaczaną literą K oraz literą podającą rodzaj karbu, jednostką jest dżul.
--- Do wykonywania tych badań wykorzystuje się urządzenia umożliwiające przyłożenie dużej siły w krótkim czasie,
zwane najczęściej młotami udarowymi. Najczęściej spotykanym urządzeniem jest
###
Granica plastyczności
-
naprężenie rozciągające powodujące wzrost wydłużenia przy ustalonej sile rozciągającej
Re – granica plastyczności
###
Wydłużenie
– A
###
Przewężenie
– Z
3)Podstawowe komórki elementarne metali(A1, A2, A3).
###
Komórka elementarna
– najprostszy element sieci przestrzennej, który zachowuje charakterystyczne cechy całej
sieci. Poprzez powtarzanie komórki elementarnej możliwe jest odtworzenie całej sieci.
---Sieć krystaliczna A1
, regularna ściennie centrowana
(RSC).
Struktura gęstego upakowania. Sekwencja ułożenia
atomów
ABCA.
---Sieć krystaliczna A2,
regularna przestrzennie centrowana
(RPC).
---Sieć krystaliczna A3,
heksagonalna zwarta
(HZ).
Struktura gęstego upakowania. Sekwencja ułożenia atomów
ABA.
4)Defekty punktowe, liniowe i płaskie sieci krystalicznej.
###
Defekty punktowe-
nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej umiejscowione
wokół punktu. Najprostszym defektem tego typu jest brak atomu w węźle sieci przestrzennej.
---Wakanse-
powstają najczęściej w ten sposób, że atomy migrują na powierzchnię metalu lub do granic ziaren
pozostawiając puste miejsce.
---Atomy obce
###
Defekty liniowe-
nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej, które w jednym
kierunku mają wymiar kilku odległości atomowych, a w drugim — całego ziarna lub znacznej
jego części.
---Dyslokacje (liniowe i śrubowe)
--- Dyslokacja krawędziowa–
defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu
wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej
###
Defekty płaskie
---Błędy ułożenia-
powstają w skutek: kondensacji wakansów, zaburzonego wzrostu kryształu, odkształcenia
plastycznego
---Granice ziaren-
stanowią powierzchniowe wady budowy krystalicznej. W metalu polikrystalicznym oddzielają ziarna
różniące się orientacją krystaliczną a także składem.
5)Fazy w stopach metali. Rodzaje roztworów stałych.
###
Faza w stopie
- obejmuje wszystkie jego części, które mają taką samą budowę i zbliżony skład oraz właściwości. W
stanie ciekłym cały stop ma podobne uporządkowanie atomów i podobny skład, w tym przypadku występuje jedna faza –
faza ciekła
. Jeżeli w stanie stałym wszystkie ziarna w stopie mają taka samą budowę krystaliczną i zbliżony skład to
mówimy, że stop ma budowę
jednofazową
.
Jeżeli w stopie występuje dwa lub więcej rodzajów ziaren o określonej
strukturze i składzie chemicznym to mówimy o stopach
dwufazowych
lub
wielofazowych
.
###
Podział roztworów stałych:
---
sposób rozmieszczenia atomów rozpuszczonych B w sieci rozpuszczalnika A, na różnowęzłowe i międzywęzłowe,
---
zakres występowania- na graniczne i ciągłe
---
rodzaj rozpuszczalnika- na pierwotne- A(B) i wtórne- A
n
B
m
---
uporządkowanie- na uporządkowane i nieuporządkowane.
6)Przemiany fazowe; eutektyczna, perytektyczna, eutektoidalna, perytektoidalna.
###
Przemiana eutektyczna
Przemianę Ciecz → α + β nazywamy przemianą eutektyczną. Zachodzi w temp. 1148ºC.Przemiana eutektyczna jest
przemianą, w której udział biorą trzy fazy. Podczas przemiany, w czasie chłodzenia, ciecz przemienia się w dwie fazy
stałe jednocześnie.
###
Przemiana perytektyczna
zachodzi w temp. 1495ºC, jest przemianą, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy (jedna z nich ciekła)
przemieniają się w jedną fazę stałą. L + α → β
###
Przemiana eutektoidalna
jest przemianą, w której biorą udział trzy fazy. Podczas chłodzenia faza stała przemienia
się w dwie inne fazy stałe jednocześnie. γ → α + β
###
Przemiana perytektoidalna
to przemiana, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy stałe reagują ze sobą i
powstaje jedna – nowa faza stała. α + β → γ
7)Odkształcenie materiału przez poślizg i bliżniakowanie.
###
Poślizg
-
jest to przemieszczenie się jednej części kryształu względem drugiej
wzdłuż tzw.
płaszczyzn poślizgu
, bez zmiany budowy krystalicznej obu części kryształu.
Poślizgi zachodzące wzdłuż pojedynczych płaszczyzn skupiają się obok siebie,
tworząc
pasma poślizgu.
Poślizg najłatwiej wystąpi wtedy, jeżeli kierunek łatwego poślizgu w krysztale będzie tworzył
kąt 45° z kierunkiem działania siły. Najmniejsze naprężenia krytyczne wywołujące poślizg występują w strukturach A1 i
A3,większe w strukturze A2.
###
Bliżniakowanie mechaniczne
(tzn. pod wpływem przyłożonej siły) polega na
ścinającym ruchu płaszczyzn atomowych, co prowadzi do powstania obszaru o
orientacji sieci będącej zwierciadlanym odbiciem orientacji sieci kryształu pierwotnego.
Bliźniak powstaje z kryształu macierzystego przez ścinający ruch kolejnych warstw
atomów względem siebie.
8)Sposoby umocnienia metali i stopów.
###
Metody umacniania metali i stopów
–
rozdrobnienie ziaren
,
tworzenie stopów ( powiązanie z układami
równowagi), możliwości umacniania zgniotem, umocnienie roztworowe, umocnienie wydzieleniowe, przemiany fazowe
( elementy przemiany perlitycznej i martenzytycznej ) umocnienie cząstkami drugiej fazy (utwardzanie dyspersyjne )
9)Rodzaje wiązań międzywęzłowych w polimerach i ich wpływ na właściwości polimerów.
###
W polimerach występują wiązania:
---
kowalencyjne i wtórne.
Mocne wiązania kowalencyjne występują między atomami w cząsteczkach, natomiast między sąsiednimi cząsteczkami
występują słabe wiązania wtórne, które są przyczyną małej wytrzymałości mechanicznej, niskiej temperatury topnienia
oraz charakteryzują się małą sztywnością (małym modułem sprężystości).
10)Budowa termoplastów, duroplastów, i elastomerów, wpływ budowy na właściwości.
###
Termoplasty (polimery termoplastyczne)
– pod wpływem temperatury miękną, a następnie przechodzą w stan
płynny. Ta właściwość ogranicza ich temperaturę pracy, lecz umożliwia wielokrotne przetwórstwo. Zbudowane są z
łańcuchów liniowych lub rozgałęzionych, bez wiązań poprzecznych.
###
Duroplasty (polimery usieciowane)
– zbudowane są z łańcuchów połączonych wiązaniami poprzecznymi.
Formowane są w stanie płynnym, a następnie są utwardzane, – czyli tworzone są wiązania poprzeczne pomiędzy
łańcuchami. Wiązania mogą powstawać pod wpływem temperatury (polimery termoutwardzalne) lub pod wpływem
substancji chemicznych (polimery chemoutwardzalne). Duroplasty mają strukturę amorficzną, są przezroczyste. Są
kruche, są bardziej twarde i wytrzymałe od termoplastów. Pod wpływem temperatury nie miękną, lecz ulegają
rozkładowi. Mogą być użytkowane w wyższych temperaturach niż termoplasty. Nie mogą być powtórnie przetwarzane.
###
Elastomery
– charakteryzują się bardzo dużymi odkształceniami elastycznymi pod wpływem niewielkich naprężeń.
Są to polimery o niskiej temperaturze zeszklenia, usieciowane w niewielkim stopniu. Przykłady: polibutadien,
poliizopren.
11)Termoplasty amorficzne i krystaliczne, budowa, porównanie właściwości.
###
Termoplasty amorficzne
zbudowane są z łańcuchów ułożonych przypadkowo. Powyżej temperatury zeszklenia (Tg
lub Tz) miękną, a powyżej temperatury płynięcia (Tp) przechodzą w stan płynny. Przejście pomiędzy stanem stałym i
płynnym nie jest wyraźne i T
p
jest
temperaturą której lepkość polimeru spada na tyle, że możemy go uważać za ciecz. Termoplasty amorficzne są
przezroczyste.
###
Termoplasty krystaliczne
zbudowane są z krystalitów, w których łańcuchy ułożone są równolegle. Są
nieprzezroczyste i kruche. Powyżej temperatury topnienia (T
t
lub T
f
) polimer przechodzi w stan płynny. Temperatura
topnienia polimerów o strukturze krystalicznej jest
wyższa niż temperatura płynięcia tych samych polimerów o strukturze amorficznej, mogą więc być użytkowane w
wyższych temperaturach. W praktyce polimery o strukturze całkowicie krystalicznej nie występują, zawsze zawierają
obszary amorficzne i ich właściwości są pośrednie pomiędzy amorficznymi i krystalicznymi, zależnie od stopnia
krystaliczności.
Przykłady termoplastów krystalicznych: polietylen dużej gęstości (HDPE), poliamid (PA), polipropylen (PP),
policzterofluoroetylen (PTFE).
12)Stany fizyczne termoplastów amorficznych w zależności od temperatury.
W zależności od temperatury rozróżniamy następujące stany fizyczne termoplastów amorficznych:
###
Szklisty
(T<Tg) –
w tym stanie termoplasty amorficzne mają największą wytrzymałość. Poniżej temperatury
kruchości (Tk) są kruche, natomiast powyżej niej mogą ulegać pewnym odkształceniom elastycznym i plastycznym Stan
polimerów poniżej temperatury kruchości nazywamy stanem szklistym kruchym, natomiast pomiędzy temperatura
kruchości i temperaturą zeszklenia stanem szklisty wymuszonej elastyczności.
###
Lepkosprężysty (skóropodobny)
(T
≅
Tg)
– w tym stanie gwałtownie spadają właściwości mechaniczne polimeru
ze wzrostem temperatury. Polimer może silnie się odkształcać, lecz po usunięciu naprężeń powoli wraca do pierwotnego
kształtu.
###
Wysokoelastyczny
(T
g
<T< T
p
) –
w tym stanie polimer jest podobny do elastomeru (gumy), ulega dużym
odkształceniom elastycznym pod wpływem niewielkich naprężeń, a przy dalszym zwiększaniu naprężeń ulega bardzo
dużym odkształceniom plastycznym.
13)Rodzaje składników dodatkowych w polimerach i ich rola:
###
Napełniacze
dodaje się do polimerów w celu otrzymania materiału o żądanych właściwościach, a niekiedy obniżenia
ceny wyrobu. Aktywne - zmieniają silnie właściwości tworzywa, nieaktywne - nie wpływają w istotny sposób na
właściwości.
###
Nośniki
-
napełniacze włókniste w postaci wstęg lub arkuszy do wytwarzania laminatów (kompozytów
warstwowych).
###
Stabilizatory
-
substancje przeciwdziałające termicznemu rozkładowi polimeru w warunkach przetwórstwa oraz
rozkładowi pod wpływem tlenu i promieni ultrafioletowych (UV) w czasie użytkowania. Rodzaje: stabilizatory termiczne
(głównie w przetwórstwie PVC), antyutleniacze, stabilizatory świetlne (filtry optyczne dla UV).
###
Plastyfikatory (zmiękczacze)
-
obniżają temperaturę zeszklenia polimerów, obniżają właściwości
wytrzymałościowe i zwiększają plastyczność, ułatwiają przetwórstwo.
###
Środki barwiące:
---
Pigmenty
-
występują w postaci dyspersji drobnych cząstek - barwią i ograniczają
przezroczystość tworzyw, mogą być organiczne lub nieorganiczne.
Barwniki
- rozpuszczają się całkowicie w tworzywie -
barwią, lecz nie ograniczają przezroczystości.
---
Rozjaśniacze optyczne
-
przetwarzają światło UV w widzialne.
###
Opóźniacze palenia (antypireny)
- powodują wydzielanie się gazów podczas palenia ograniczających palność
tworzywa.
###
Porofory
- substancje spieniające dodawane do płynnego tworzywa. Rodzaje: fizyczne - najczęściej sprężony azot,
chemiczne - związki organiczne wydzielające azot po podgrzaniu.
###
Środki smarujące
-
zmniejszają tarcie wewnętrzne w tworzywie i adhezję do elementów maszyn podczas
przetwórstwa.
###
Antystatyki
- środki zmniejszające elektryzowanie się tworzyw.
14)Rodzaje wiązań między atomowych w ceramikach i ich rola.
###
W materiałach ceramicznych występują wiązania:
---kowalencyjne i jonowe.
Mocna kierunkowość wiązań kowalencyjnych oraz jony przeciwnych znaków w przypadku wiązań jonowych powodują,
że ceramiki są kruche, nie są zdolne do odkształcenia plastycznego. W przypadku wiązań kowalencyjnych i jonowych nie
występują elektrony zdolne do względnie swobodnego przemieszczania się we wnętrzu materiału,
dlatego ceramiki są
izolatorami elektryczności i ciepła.
15)Typowe procesy formowania wyrobów z ceramiki technicznej.
###
Przygotowanie masy
– wymieszanie proszków wyjściowych i dodanie substancji ułatwiających formowanie (woda
lub inne płyny, środki zmniejszające tarcie).
###
Formowanie
– nadawanie kształtu wyrobowi. Typowe procesy to prasowanie, wyciskanie, walcowanie, odlewanie,
wtryskiwanie.
###
Spiekanie
– proces prowadzony w wysokiej temperaturze, podczas którego na skutek dyfuzji atomów następuje
połączenie ziaren w jedną całość. Pomiędzy ziarnami tworzą się szyjki, które powiększają się zmniejszając porowatość
materiału. Część porów jednak pozostaje. Pory w ceramice zmniejszają jej wytrzymałość na rozciąganie, lecz poprawiają
właściwości izolacyjne i odporność na szoki cieplne (gwałtowne zmiany temperatury). Spiekanie może przebiegać
całkowicie w stanie stałym (żadne ze składników się nie topią) lub z udziałem fazy ciekłej (część składników ulega
stopieniu).
###
Obróbka kształtująca
– obróbka mechaniczna stosowana w celu uzyskania dokładnych kształtów wyrobów
(podczas spiekanie ceramika kurczy się, co utrudnia uzyskanie dokładnych wymiarów). Po spiekaniu ceramika jest
bardzo twarda i możliwe jest tylko szlifowanie. Jeżeli zakres obróbki jest większy to przeprowadza się ją w stanie
„zielonym” lub po spiekaniu wstępnym, kiedy ceramika nie jest bardzo twarda (warianty (b) i (c)).
16)Spiekanie w fazie stałej, etapy spiekania.
###
Etapy spiekania w stanie stałym.
1.Stan wyjściowy:
Proszek wstępnie zagęszczony. Ziarna stykają się tym większą powierzchnią im większym ciśnieniem
były prasowane.
2.Etap wstępny:
Powstają szyjki pomiędzy ziarnami, następuje duże zmniejszenie się ogólnej powierzchni spieku.
3.Etap pośredni:
Pory zaokrąglają się i zmniejszają, prawie całkowicie zanika otwarta porowatość. Następuje silny
wzrost gęstości materiału.
4.Etap końcowy:
Pory zamykają się. Następuje rozrost ziaren. Migrujące granice ziaren pozostawiają pory wewnątrz
ziaren.
5. Dalsze spiekanie prowadzi do rozrostu ziaren i porów w wyniku
ich łączenia się.
17)Spiekanie z udziałem fazy ciekłej, etapy spiekania.
Stan wyjściowy zmieszane proszki
Topnienie się części ziaren
Przemieszczanie się ziaren stałych
Nadtapianie się cząstek stałych
Końcowe zagęszczenie poprzez spiekanie
18)Składniki umacniające w kompozytach o osnowie polimerowej:
rodzaj materiału, kształt, rozmieszczenie przestrzenne.
###
Kompozyty można klasyfikować wg rodzaju i kształtu fazy
umacniającej oraz rodzaju osnowy:
kompozyty umacniane cząsteczkami ziarnistymi,
kompozyty umacniane włóknami, które mogą być
ciągłe lub cięte, a w zależności od kierunku ułożenia
równoległe, nierównoległe lub mieszane,
kompozyty warstwowe – laminaty, gdzie osnowę
stanowi żywica syntetyczna a wzmocnienie warstwy
papieru, drewna, tkanin.
19)Sposoby wytwarzania kompozytów o osnowie polimerowej.
###
Metoda kontaktowa
-- Formowanie ręczne, nazywane kontaktowym stosuje się głównie do wykonywania
laminatów.
###
Metoda natryskowa
-- W metodzie tej nie stosuje się włókien wzmacniających w postaci mat i tkanin, lecz włókno
ciągłe (najczęściej w postaci tzw. rowingu szklanego), które za pomocą specjalnych urządzeń jest cięte i-równocześnie z
kompozycją żywicy - natryskiwane na formę, tworząc na niej rodzaj luźnego kożucha.
###
Prasowanie
--
prasowanie tłoczne, prasowanie przetłoczne i prasowanie płytowe
. Produktem procesu prasowania
tłocznego i przetłocznego są wypraski, natomiast płytowego – płyty lub wstęgi.
###
Metoda SMC
-- włókna w postaci rovingu cięte są przez nóż obrotowy na odcinki o długości od 12 do 50 mm i
podawane pomiędzy dwie folie, na których rozprowadzana jest cienka warstwa mieszaniny żywicy ze środkami
pomocniczymi.
###
Metoda BMC
--
jest kompozytem składającym się w głównej mierze z polimeru, włókien ciętych, napełniaczy
proszkowych i substancji dodatkowych.
20)Zależność właściwości kompozytów o osnowie polimerowej od kształtu i rozmieszczenia przestrzennego
składników umacniających.
Wyroby z włókien służące do zbrojenia kompozytów o osnowie polimerowej:
(a)
rowing (pasmo włókien),
(b)
mata złożona z przypadkowo ułożonych kawałków rowingu,
(c)
tkanina.
Morfologia kompozytów włóknistych:
(a)
włókna ciągłe o jednakowej orientacji,
(b)
włókna krótkie o przypadkowej (losowej) orientacji
[ Pobierz całość w formacie PDF ]