2008-10-15

Inynieria materiaowaKazimierz Drozd Katedra Inynierii Materiaowej Wydzia Mechaniczny PL

Kazimierz DrozdWydzia Mechaniczny, pokj 505 tel. 081 538 4215 k.drozd@pollub.pl konsultacjeponiedziaek godz. 10-11 10wtorek godz. 13-14 13-

http://kim.pollub.pl http://kim.pollub.pl podwadny prof. Barbary Surowskiej (pokj 311)

1

2008-10-15

Sprawy organizacyjnereg. 831) Zaliczenie przedmiotu (reg. studiw 22 ust. 8-9, 31) egz. 3pkt ECTSegzamin zerowy dodatkowy, ustny przed sesj egzaminacyjn (22 ust. 5) ( egzaminy w sesji (par. 22 ust. 8) proponuj zorganizowa nastpujco: (par.pierwszy termin pisemny w sesji (test na AI) w poniedziaek o godz. 8 i 11, indeksy po wpisaniu ocen bd dostpne nastpnego dnia od godziny 11 termin poprawkowy ustny pierwszy w sesji we rod 4 lutego od godziny 9 termin poprawkowy ustny drugi w sesji w pitek 6 lutego od godziny 9

Obecno na zajciach nieobowizkowaczy mona sprawdza obecno na wykadzie? bd chcia wiedzie ile procent studentw uczszcza na wykad nawet gdybym sprawdzi to nie bdzie miao wpywu na ocen osoby nieobecnej; raczej wyrnibym osob obecn

Systematyczna praca i wsppraca wy chcecie zdoby zaliczenie, ja jestem tu po to aby wam w tym pomcw kadej chwili prosz przerywa, zadawa pytania, zwaszcza jeli co jest niejasne lub gdy si pomyl

Absolwentw technikw przestrzegam przed uleganiem zudzeniu, e treci przedmiotw podstawowych i specjalistycznych s im ju znane. Z mojego dowiadczenia wynika, e wanie oni maj problemy z ich zaliczaniem

Literatura przedmiotuAshby M.F., Jones D.R.H.: Materiay inynierskie t. 1 i 2. WNT, Warszawa 1995 i 1996 Ashby M.F.: Dobr materiaw w projektowaniu inynierskim. WNT, Warszawa 1998 Blicharski M.: Wstp do inynierii materiaowej. WNT, Warszawa 2001 Przybyowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1999 Rudnik : Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1998 Wyatt : Wstp do inynierii materiaowej. WNT, Warszawa 1978 Polskie normy Wykad po sowacku z obrazkami i animacjami: www.fpt.tnuni.sk/kfim/predmety/rocnik1/nauka_o_materi ali/nauka_o_materiali.htm

2

2008-10-15

Wprowadzenie do problematyki inynierii materiaowejCzym zajmuje si inynieria materiaowa Wasnoci uytkowe Rne poziomy budowy strukturalnej Ksztatowanie struktury w procesie wytwarzania Pierwsza dawka podstawowych definicji

Co to jest inynieria materiaowa?Nauka o materiaach (tworzywach) inynierskich:metalach i ich stopach materiaach ceramicznych i szkach kompozytach polimerach pprzewodnikach

Proces

Inynieria Materiaowa

Okrela zalenoci pomidzy struktur, powsta w procesie obrbki, a wasnociami

Struktura

Wasnoci

3

2008-10-15

Oczekiwania uytkownikaKsztat przedmiotu (elementu) Wasnoci odpowiadajce wymaganiom Odpowiednia trwao do zuycia lub naprawy (resurs) Oczekiwaniom tym mona sprosta jeeli znamy zalenoci pomidzy:wasnociami struktur procesem wytwarzania

Mae zmiany struktury mog powodowa due zmiany wasnoci mechanicznych materiau

Wasnoci (properties)Informuj o zdolnoci do odksztace podczas procesu wytwarzania i zachowaniu materiau podczas eksploatacjinp. materia poddawany procesowi kucia odksztacalny i cigliwy

Podstawowe wasnoci mechaniczne:przy obcieniu statycznym:

G= moduy sprystoci E (Younga) i G (Kirchhoffa) granica plastycznoci Re wytrzymao na rozciganie Rm (granica wytrzymaoci) odporno na pkanie twardo m cigliwo

E 2(1 + )

R 3,4 HB

udarno przy obcieniach dynamicznych (impact load) wytrzymao zmczeniowa przy obcieniach cyklicznie zmiennych odporno na pezanie przy podwyszonej temperaturze pezanie zwikszajce si z czasem odksztacenie plastyczne pod wpywem naprenia, wystpujce nawet przy napreniach mniejszych od granicy plastycznoci

4

2008-10-15

Struktura rne poziomyStruktura atomu - liczba elektronw na zewntrznej powoce wpywa na rodzaj wizania i wasnoci:elektryczne cieplne optyczne magnetyczne

Rozmieszczenie atomw w przestrzeni (mikrostruktura):regularne i powtarzalne krysztay (z defektami), ziarna nieuporzdkowane materiay ceramiczne i polimery

Budowa fazowa (metalografia ilociowa)stopy metali skadaj si z dwch lub wicej faz kada z faz charakteryzuje si innymi wasnociami

Nazewnictwo w mikrostrukturzeSieci punktowe 14 moliwych sieci przestrzennych (crystal lattices), w ktrych punkty sieciowe maj identyczne otoczenie atomw w strukturze krystalicznej Komrka elementarna (unit cell) rwnolegocian o symetrii takiej samej jak symetria caej sieci; jej powtarzanie w trzech wymiarach odtwarza ca sie punktow Kryszta ciao stae o regularnym i powtarzalnym uoeniu atomw, czsteczek lub jonw Ziarno (grain) pojedynczy kryszta w polikrystalicznej strukturze stopu Granica ziarn (grain boundary) strefa niedopasowania krystalicznego midzy ssiednimi ziarnami Faza (phase) objto stopu o wyranych granicach, na ktrych wasnoci chemiczne lub fizyczne ulegaj skokowej zmianie Pory spowodowane skurczem materiau podczas krystalizacji Pcherze gazowe pozostae po procesie metalurgicznym Wtrcenia niemetaliczne fragmenty wymurwki pieca lub inne Wtrcenia plastyczne wyduone, wystpuj w materiale obrobionym plastycznie Wtrcenia kruche skupiska rozoone w kierunku pynicia materiau

5

2008-10-15

Proces wytwarzania (processing)Ma na celu uzyskanie elementu o zaoonym ksztacie i wasnociach z materiau o ksztacie wstpnym Metody ksztatowania metali i stopw:odlewanie ciekego metalu do formy obrbka plastyczna, bezubytkowa (walcowanie, kucie, wyciskanie, cignienie, toczenie, zginanie) czenie (przy uyciu dodatkowych elementw), spajanie (spawanie, lutowanie, zgrzewanie) zagszczanie proszku metalowego i spiekanie obrbka ubytkowa, wirowa (toczenie, struganie, frezowanie, wiercenie, szlifowanie)

Pozycja wrd innych naukMatematyka

Fizyka

Chemia

Inynieria Materiaowa (Technika)

Biofizyka

Inne

6

2008-10-15

Tworzywa inynierskie i ich wasnociMetale i ich stopy Materiay ceramiczne Polimery Kompozyty Pprzewodniki Wykluczajce si wasnoci materiaw

Metale, ich stopy i inne substancje84 pierwiastki s metalami (metali jest najwicej) (metali najwicej)czyste metale s rzadko wykorzystywane

Stop co najmniej dwuskadnikowe tworzywo metaliczne skadajce si z metalu (przewaga) oraz innych pierwiastkw. Stopy np.:elaza (iron) miedzi (copper) aluminium (glinu) niklu (nickel) tytanu (titanium)

Zwizek substancja skadajca si z dwch lub wicej pierwiastkw zwykle o cile okrelonym stosunku liczby atomw poszczeglnych pierwiastkw Mieszanina ukad zoony z dwch lub wicej faz Roztwr faza skadajca si z wicej ni jednego pierwiastka i zachowujca typ struktury rozpuszczalnika Rozpuszczalnik gwny skadnik roztworu, pierwiastek lub zwizek

7

2008-10-15

Wasnoci metali i ich stopwKorzystne (advantageous)wytrzymao stopw metali (strength) sztywno (stiffness) cigliwo (ductility) trwale odksztacalne odporno na pkanie odporno na obci. dynamiczne przewodno cieplna przewodn. elektryczna poysk po wypolerowaniu

Niekorzystnemaa wytrzymao czystych metali nieodporne na czynniki chemiczne ulegaj korozji (utlenianiu)

Nazewnictwo skadnikw stopuBaza, osnowa (matrix) lub stop + nazwa pierwiastka (np. stop elaza) pierwiastek ktrego w stopie jest najwicej, najczciej ponad 50% masowychniektre stopy maj zwyczajowo przyjt nazw, np. staliwo (cast steel), mosidz (brass), brz (bronze), konstantan, elektron (dowmetal), nikielina, dural (duralumin), silumin, alnico

Domieszka lub dodatek stopowy pierwiastek wystpujcy w stopie w maej iloci i wprowadzony w celu uzyskania lub zwikszenia konkretnych wasnoci (np. odpornoci na korozj, hartownoci) Zanieczyszczenie (impurity) pierwiastek lub zwizek chemiczny (np. uel) ktry niekorzystnie wpywa na wasnoci stopu i w procesie metalurgicznym staramy si ograniczy jego zawarto Zawarto skadnikw stopu zawsze podajemy w odniesieniu do udziaw masowych (weight percentage)

8

2008-10-15

Materiay ceramiczneMateriay ceramiczne tlenki lub zwizki z wglem (Carbon), azotem (Nitrogen), fosforem (Carbon), (Nitrogen), (Phosphorus) i siark (Sulphur) Phosphorus) (Sulphur) Podstawowe skadniki materiaw ceramicznych:tlenek aluminium (glinu) Al2O3 (aluminium oxide, oxide, corundum) corundum) tlenek krzemu SiO2 (silicon dioxide) dioxide) tlenek magnezu MgO (magnesium oxide) oxide) wglik krzemu SiC (silicon carbid, carborundum) carbid, carborundum) azotek krzemu Si3N4 (silicon nitrid) nitrid)

Wasnoci materiaw ceramicznychKorzystnewytrzymao szczeglnie na ciskanie (compresion) odporne na korozj odporno na wysokie temperatury materiay ogniotrwae obojtne dla rodowiska (neutral)

Niekorzystne (maa)przewodno cieplna przewodn. elektryczna cigliwo (ductility) odporno na pkanie (fracture resistance) wysoka temperatura topnienia (melting point)Al2O3 2020C 2020 metal Al 660C 660

9

2008-10-15

PolimeryTworzywa wielkoczsteczkowe gwnie zwizki C, N, Fluorine, Cl (Chlorine) i S Zbudowane z czsteczek o dugich acuchach utworzonych z merw Czsteczka polimeru moe zawiera ponad 500 merw i way ponad 1000u Atomowa jednostka masy 1u1,66*10-27kg 1u1,66*10 Przykad merem polietylenu jest czsteczka etylenu C2H4

Wasnoci polimerwKorzystneodporno na korozj estetyczny wygld bez dodatkowej obrbki maa gsto (lekkie) atwo formowalne w skomplikowane ksztaty may wspczynnik tarcia cigliwe (tylko termoplastyczne)

Niekorzystnemaa sztywno niska temperatura topnienia (miknienia) due odksztacenia spryste pezanie przy temperaturze normalnej kruche (tylko termoutwardzalne) silna zmiana wasnoci od temperatury szkodliwe dla rodowiska

10

2008-10-15

Kompozyty (composites)Skadaj si co najmniej z dwch materiaw (faz): (faz):faza osnowy podstawowy skadnik strukturalny kompozytu faza zbrojca (reinforcement )

Kada z tych faz naley do jednej z trzech grup materiaw:Metal Ceramika Polimer

Materiay skadowe (fazy) kompozytu mog nalee do tej samej lub rnych grup Kompozyty naturalne, np. drewno wkna w osnowie polimeru Kompozyty wytwarzane przez czowieka, np.: wkno szklane w osnowie polimeru, beton (kompozyt agregatowy) kruszywo w osnowie cementu Dobierajc materiay mona uzyska kompozyt o wasnociach niemoliwych do uzyskania innymi metodami: lekki i wytrzymay Stosowane w przypadkach gdy:wasnoci s znacznie waniejsze ni koszt, np. w sprzcie sportowym, na czci samolotw rodowisko pracy lub wartoci obcie uniemoliwiaj zastosowanie pojedynczego materiau

Zawarto materiaw skadowych (faz) w kompozycie zawsze podajemy w odniesieniu do udziaw objtociowych

Wasnoci mechaniczne niektrych tworzyw konstrukcyjnych

11

2008-10-15

Pprzewodniki (semiconductors)Nie s dobrymi przewodnikami (conductor) ani dobrymi izolatorami (non-conductor, insulator) (nonDodanie do pprzewodnika maej iloci niektrych pierwiastkw zmienia gwatownie ich wasnoci elektryczne Su do wytwarzania zoonych obwodw elektrycznych, np. wielowarstwowych ukadw scalonych o wysokim stopniu integracji (czy kto taki widzia?) (czy widzia?) Powszechnie stosowanymi pprzewodnikami pierwiastkowymi s Si i Ge (germanium) Niektre zwizki chemiczne s rwnie pprzewodnikami, np. arsenek galu GaAs (galium arsenide)

Przeciwstawne wasnoci materiauAlbotwardy (hard) wytrzymay kruchy (brittle) trway w wysokiej temp. sprysty (elastic) odporny na korozj zanieczyszczajcy rodowisko

albocigliwy atwo obrabialny plastyczny niskotopliwy trwale odksztacalny ulegajcy degradacji, atwo reagujcy przyjazny dla rodowiska

12

2008-10-15

Tworzywa inynierskie podsumowanieW technice wykorzystuje si pi grup materiaw: metale, ceramiki, polimery, kompozyty i pprzewodniki Metale i stopy s przewodnikami, wytrzymaymi lecz mao odpornymi na korozj Ceramiki i szka s kruchymi izolatorami, odpornymi na korozj i wysok temperatur Polimery s mao wytrzymaymi izolatorami, cigliwymi lub kruchymi, nietrwaymi przy podwyszonej temperaturze, cho odpornymi na korozj Kompozyty s kompozycj wymienionych materiaw; maj szerokie, czsto przeciwstawne wasnoci Pprzewodniki maj szczeglne wasnoci elektryczne

Wizania midzy atomamiStruktura atomu Ukad okresowy pierwiastkw Wizania jonowe Wizania kowalencyjne Wizania metaliczne Wizania Van der Waalsa Energia wiza midzy atomami

13

2008-10-15

Struktura atomuModel planetarnyrozkad masy rozkad adunku

Jdro atomowe liczba masowa A rwna liczbie nukleonwprotony liczba atomowa Z neutrony ich liczba moe by rna dla atomw tego samego pierwiastka. Mwimy o izotopach pierwiastka, np. 146C

Siedem powok elektronowych (gwna liczba kwantowa n rwna (gwna liczbie podpowok): podpowok):1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q 2- 3- 4- 5- 6- 72, 8, 18, 32, 50, 72, 98 max liczba elektronw na powoce s, p, d, f, g, h, i - podpowoki 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26 - maksymalna liczba elektronw na podpowoce

Atomowa jednostka (wglowa) masy 1u=1/12 masy atomu wgla 12 C 6 1g=(6,023*1023)u w nawiasie liczba Avogadro

Okresowo wasnoci pierwiastkwOkresow funkcj liczby atomowej Z s wasnoci:fizyczne chemiczne

Ukad okresowy (tablica Mendelejewa)18 grup - w kolumnach siedem okresw - w wierszach

W jednym okresie s pierwiastki, dla ktrych zapeniana jest jedna powoka W jednej grupie s pierwiastki o takiej samej liczbie elektronw na zewntrznej powoce Lantanowce - rna liczba elektronw (od 18 do 32) na powoce N (podpowoka 4f od 0 dla Lantanu do 14 dla Lutetu). Na powokach O i P liczba elektronw staa Aktynowce podpowoka 5f jest zapeniana po zapenieniu podpowoki 7s i po wejciu jednego elektronu do podpowoki 6d. Pierwiastki, ktrych atomy oddaj elektrony wchodzc w reakcje chemiczne nazywa si elektrododatnimi (gwnie metale)jeeli przyczaj elektrony elektroujemnymi (dielektryki)

14

2008-10-15

Ukad okresowy pierwiastkw1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

H Li K Be Ca Sc Y Ti Zr Hf V Na Mg

numery grup N

He B Al C Si N P O S F Cl I Ne Ar Kr Xe Rn

Cr W

Mn Fe

Co Ni Pt

Cu Zn

Ga Ge As Se Br Sn Sb Te Pb Bi Po At

Rb Sr Fr La

Nb Mo Tc Ta

Ru Rh Pd Ag Cd In Au Hg Tl

Cs Ba La

Re Os Ir

Ra Ac Rf Ce Pr

Db Sg Bh Hs Mt Dy Ho Er Cf EsTm Yb

Nd Pm Sm Eu Gd Tb Np Pu Am Cm BkMetal - ciecz

Lu

Ac Th

Pa U

Fm Md No Lr

Metal ciao stae

Pmetal ciao stae

Niemetal

Gaz

Wizania midzyatomowe i midzyczsteczkoweWizania silne (pierwotne) zwizane z przechodzeniem lub uwsplnianiem elektronw przez atomyjonowe kowalencyjne metaliczne

Znacznie sabsze wizania wtrne (midzyatomowe lub midzyczsteczkowe)Van der Waalsa mostki wodorowe

15

2008-10-15

Wizanie jonowePolega na elektrostatycznym przyciganiu si jonw rnych znakw Dwa etapy powstawania wizania (rys.):przejcie elektronu z jednego atomu do drugiego:NaCl: energia jonizacji Na (uwolnienia elektronu) 5,1eV; uwolniony elektron przechodzi do Cl, wyzwala si przy tym energia 3,8eV

powstanie jonw + i - czyli atomw elektrycznie nieobojtnych:w przypadku NaCl: powstaj jony Na+ i Cl-

Powinowactwo elektronowe energia uwolniona przez atom w efekcie przyczenia elektronu, np. 3,8eV dla Cl

Stabilno wizania jonowegoWarunek stabilnoci:jeeli energia potrzebna do zerwania wizania jonowego jest wiksza ni energia wyzwolona przy powrocie elektronu do atomu macierzystego

Przykad NaCl:energia jonizacji (zostanie wyzwolona przy powrocie elektronu od Cl do Na) 5,1 - 3,8 = 1,3eV, czyli:Na + Cl + 1,3eV => Na+ + Cl-

energia potrzebna do zerwania wizania 4,2eV, tzn.:NaCl + 4,2eV => Na + Cl

energia potrzebna do zerwania 4,2eV jest wiksza ni wyzwolona przy powrocie elektronu 1,3eV wizanie nie pka bez dostarczania energii z zewntrz

16

2008-10-15

Zwizki chemiczne oparte na wizaniu jonowymSkadaj si z pierwiastka metalicznego i niemetalicznego Jeeli atomy wchodzce w skad zwizku charakteryzuj si du rnic elekroujemnocimetale elektrododatnie niemetale (dielektryki) elektroujemne

W krysztale jonowym w otoczeniu jonu jednego pierwiastka jest jak najwiksza liczba jonw drugiego pierwiastka (jonw przeciwnych)

Wizanie kowalencyjneAtomy zwizane kowalencyjnie maj wsplne elektrony walencyjne, np. H2, CH4, CO2 walencyjne, Wsplne elektrony musz mie przeciwne spinytylko przy spinie antyrwnolegym wystpuje minimum energii wizania

Wystpuje w zwizkach utworzonych przez atomy o takiej samej elektroujemnoci Wizanie pojedyncze (Cl-Cl) - utworzone przez (Cljedn par elektronw. O=O. NN. NN. Wykazuje kierunkowo wizanie dziaa w kierunku rwnolegym do linii czcej rodki atomw majcych wsplne elektrony

17

2008-10-15

Wizania kowalencyjne wgla i wodoruAtomy wgla tworz zwykle czterokrotne (poczwrne) wizania kowalencyjne Wizanie wane w procesach ycia utrzymuje dugie acuchy C i H z innymi pierwiastkami Zwizki wgla z pojedynczym wizaniem midzy atomami wgla nazywamy nasyconymi Z podwjnym lub potrjnym wizaniem pomidzy atomami wgla zwizki nienasycone W chemii niskonasycone kwasy tuszczowe oznacza podwjne wizanie pomidzy atomami wgla

Przykady wiza krysztawWikszo cia staych to krysztay maj budow uporzdkowan w duym obszarze Kryszta jonowy (NaCl) Kryszta kowalencyjny (diament, fulleren) diament, Mieszane (grafit)

18

2008-10-15

Wizanie metaliczneElektrony wartociowoci (walencyjne) w metalach mog by atwo odrywane od atomw i tworz gaz elektronowy Wizanie metaliczne jonw dodatnich (kationw) z gazem elektronowym utrzymuje metal w caoci W krysztaach metali kationy znajduj si w wzach sieci krystalicznej, a ich uoenie jest jak najgciejsze (nie jest to wizanie kierunkowe) O kolektywnym charakterze oddziaywa (grupy jonw dodatnich z grup elektronw) wiadcz:moliwo zginania i rozcigania tworzenie stopw o do dowolnych proporcjach skadnikw

Elektrony swobodne nie mog si wydosta z metalu, bez dostarczenia im energii, z powodu studni potencjau 10eV Dziki ruchliwym elektronom swobodnym metale charakteryzuj si du przewodnoci ciepln i elektryczn Sia wizania zaley od energii przycigania midzy kationami i elektronami swobodnymi, oraz odpychania pomidzy samymi kationami i elektronami midzy sob

Wizanie Van der Waalsa (wizanie midzyczsteczkowe)Atomy oraz czsteczki mog czy si za pomoc si Van der Waalsa Siy Van der Waalsa wystpuj pomidzy dipolami elektrycznymi (podobnie jak w wizaniach jonowych):staymi, np. mostki wodorowe w czsteczce H2O indukowanymi chwilowymi (zmienny w czasie rozkad adunku elektrycznego w czsteczce)

Dipol elektryczny ukad dwch adunkw, rwnej wielkoci lecz o przeciwnych znakach, znajdujcych si blisko siebie Wizania sabe energia wizania stanowi ok. 1% energii wiza jonowych i kowalencyjnych Wystpuj w cieczach i ciaach staych, np. skroplonych gazach szlachetnych, midzy ssiednimi czsteczkami polimeru np. polietylenu (C2H4)npomidzy atomami C-C i C-H polietylenu wystpuj silne wizania CCkowalencyjne

W czsteczce H2O kt wizania wynosi 104,5. Wsplna para 104,5 elektronw H-O jest przesunita w kierunku atomu tlenu H-

19

2008-10-15

Energia wizania midzy atomami1eV = 1,6*10-19J

F =

dE da

Wizania w rnych materiaach

20

2008-10-15

Wizania midzy atomami podsumowanieModel planetarny objania budow atomu Liczba protonw okrela jakiego pierwiastka jest atom Struktura elektronowa decyduje o wizaniach tworzonych przez pierwiastek Pomidzy atomami tworz si wizania pierwotne: jonowe, kowalencyjne i metaliczne Pomidzy dipolami elektrycznymi mog tworzy si wizania wtrne Wizania jonowe tworz si pomidzy jonami przeciwnych znakw W wizaniu kowalencyjnym tworz si wsplne, dla ssiadujcych atomw, pary elektronw Elektrony walencyjne tworz gaz elektronowy w wizaniu metalicznym W ceramikach i szkach wystpuj wizania jonowe i kowalencyjne W polimerach wizanie kowalencyjne wystpuje w obrbie meru, pomidzy czsteczkami polimeru wystpuj sabe wizania wtrne

Elementy krystalografiiSposoby uoenia atomw w materiaach Ukady krystalograficzne i sieci Oznaczanie struktur krystalicznych Struktura krystaliczna metali Struktury o najgstszym uoeniu atomw Struktury krystaliczne materiaw ceramicznych Wystpowanie i geometria luk Polimorfizm Struktura szka

21

2008-10-15

Podzia materiaw ze wzgldu na sposb uoenia atomwKrystalicznemetale krystalizuj w postaci jednej z trzech prostych struktur materiay ceramiczne tworz wiele rnych struktur krystalograficznych tylko niewielka cz objtoci polimeru moe mie posta krystaliczn, bo czsteczki s due i maj zoon budow materiay takie s zbudowane z niewielkich krysztaw w krysztaach wystpuje regularne i powtarzalne uoenie atomw wyrniamy siedem ukadw krystalograficznych wystpuje czternacie typw sieci krystalograficznych

Niekrystaliczne (amorficzne)szka nie maj struktury krystalicznej

Budowa krystalicznaWsplna cecha metali (stopw) i materiaw ceramicznych Wikszo cia staych to krysztay maj budow uporzdkowan w duym obszarze Wizania pomidzy wszystkimi atomami puszczaj przy tej samej temperaturze maj tak sam wytrzymao W stopie na bazie metalu zdarza si, e wystpuje jednoczenie ciecz i ciao stae (inna faza i o innym skadzie chemicznym ni ciecz)

22

2008-10-15

Ciao stae bezpostaciowe (amorficzne)Nie ma okrelonego rozmieszczenia atomw Jest to ciecz przechodzona o duej lepkoci, np.:smoa (tar) szko (glass) wiele polimerw (plastics)

Wizania (np. kowalencyjne i Van der Waalsa) midzy atomami maj rn wytrzymao pkaj przy rnej temperaturzeczy topi si? czy krzepnie?

Nie wystpuje wyrane przejcie ze stanu staego do ciekego (melting) i odwrotnie (solidification)

Nazewnictwo w mikrostrukturzeSieci punktowe 14 teoretycznych sieci przestrzennych (crystal lattices), w ktrych punkty sieciowe maj identyczne otoczenie atomw w strukturze krystalicznej Punkty (wzy) sieciowe punkty tworzce sie krystalograficzn. Na kady wze sieci moe przypada jeden, dwa lub wicej atomw Komrka elementarna (unit cell) rwnolegocian o symetrii takiej samej jak symetria caej sieci; jej powtarzanie w trzech wymiarach odtwarza ca sie punktow Kryszta ciao stae o regularnym i powtarzalnym uoeniu atomw, czsteczek lub jonw

23

2008-10-15

Komrka elementarna

Teoretyczne ukady krystalograficzne (i sieci przestrzenne)Regularny (3) cubic Tetragonalny (2) tetragonal Rombowy (4) orthorhombic Trygonalny lub romboedryczny (1) hexagonal (trigonal) Heksagonalny (1) hexagonal Jednoskony (2) monoclinic Trjskony (1) anorthic (triclinic) Szerzej o teoretycznych ukadach i teoretycznych typach sieci krystalograficznych na nastpnych slajdach

24

2008-10-15

Regularnya=b=c 90 = = = 90 Punkty sieciowe dla sieci regularnej (liczba wzw przypadajcych na komrk elementarn)prymitywnej (8/8) przestrzennie centrowanej (+1) ciennie centrowanej (+6/2)

Tetragonalnya=bc = = = 90 90 Punkty sieciowe dla sieci tetragonalnejprymitywnej (8/8) przestrzennie centrowanej (+1)

25

2008-10-15

Rombowyabc 90 = = = 90 Punkty sieciowe dla sieci rombowejprymitywnej (8/8) przestrzennie centrowanej (+1) o centrowanej podstawie (+2/2) ciennie centrowanej (+6/2)

Trygonalny (romboedryczny)a=b=c = = 90 90 wystpuje tylko jeden typ sieci - trygonalna (romboedryczna) prymitywna punkty sieciowe jak na rysunku (8/8)

26

2008-10-15

Heksagonalnya=bc 90 120 = = 90 = 120 wystpuje tylko jeden typ sieci heksagonalna prymitywna (zwarta) punkty sieciowe jak na rysunku (4/6+4/12)

Jednoskonyabc = = 90 90 Punkty sieciowe dla sieci jednoskonejprymitywnej (8/8) o centrowanej podstawie (+2/2)

27

2008-10-15

Trjskonyabc 90 90 wystpuje tylko jeden typ sieci trjskona prymitywna punkty sieciowe pooone jak na rysunku (8/8)

Pooenia i kierunki sieciowePocztek ukadu wsprzdnych przyjmuje si w punkcie sieciowym Osie ukadu wsprzdnych pokrywaj si z krawdziami komrki elementarnej Pooenia (punkty) sieciowe s wyraane w jednostkach dugoci krawdzi a, b, c komrki elementarnej Wskaniki pooe s unikalne dla kadego punktu Pooenia (punkty) sieciowe opisujemy bez nawiasw Prosta kierunku sieciowego przechodzi przez punkty sieciowe Wskaniki kierunku sieciowego s takie same dla wszystkich kierunkw rwnolegych, bo pocztek ukadu moe by dowolnym punkcie sieciowym Wskaniki kierunku sieciowego podajemy w nawiasach kwadratowych; rodzina kierunkw w nawiasach S trzy wsprzdne uvw pooenia/kierunku [uvw] sieciowego Pooenia/kierunki ujemne zapisuje si z kresk poziom nad cyfr

28

2008-10-15

Wskanikowanie paszczyzny sieciowej (wskaniki Millera)Obra ukad wsprzdnych z pocztkiem w punkcie sieciowym Odczyta dugoci odcinkw, w jednostkach parametrw sieciowych abc, wyznaczonych na osiach ukadu wsprzdnych przez paszczyzn sieciowjeeli paszczyzna przechodzi przez pocztek ukadu ukad naley go przesun

Obliczy odwrotnoci dugoci odcinkw Sprowadzi odwrotnoci do najmniejszych liczb cakowitych Wskaniki paszczyzny sieciowej s zbiorem trzech najmniejszych liczb cakowitych, oglnie (hkl); rodzina paszczyzn {hkl} Np. paszczyzna (021) jest rwnolega do osi x, przecina o y w 1/2b i o z w odlegoci c. Odwrotnoci 1/, 1/, 1/ 1/,1/1

29

2008-10-15

Paszczyzny sieciowe

Oznaczanie struktur krystalicznych wg Pearsona (dwie litery i liczba)Pierwsza litera maa ukad krystalograficznycubic, hexagonal, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, anorthic (triclinic)

Druga litera dua typ sieci przestrzennejP prymitywna, I przestrzennie centrowana, F ciennie centrowana, C centrowana na podstawie, R romboedryczna

Liczba atomw przypadajcych na komrk elementarnregularna przestrzennie centrowana 2 heksagonalna prymitywna 1 (zwarta 2) regularna ciennie centrowana 4

cF4 sie regularna (c) ciennie centrowana (F) z czterema atomami na komrk

30

2008-10-15

Pooenia rodkw atomw w komrce heksagonalnejDwa atomy na punkt sieciowy (4/6+4/12+1) (4/6+4/12+1) Komrka heksagonalna zwarta Teoretyczny stosunek c/a=1,633

Oznaczanie struktur krystalicznych wg Strukturbericht (litera i liczba)Oznaczenie nie zalecane lecz uywane Litera dua grupa cia krystalicznychA pierwiastki, B zwizki typu AB, C zwizki typu AB2

Liczba oznaczajca typ struktury w grupie A1 typ struktury miedzi i Fe Fe A2 typ struktury Fe Fe A3 struktura typu magnezu B1 struktura chlorku sodu

31

2008-10-15

Polskie skrty oznaczajce strukturyRSC regularna ciennie centrowana, np. Fe Fe RPC regularna przestrzennie centrowana, np. Fe Fe HZ heksagonalna zwarta RP regularna prymitywna Wikszo metali tworzy sie krystaliczn regularn (ciennie i/lub przestrzennie centrowan) oraz heksagonaln

Struktura krystaliczna pierwiastkw4 3 2 1

1 Li K

2 Be

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13 B Al

14 C Si Sn Pb

15 P

16 S

17 Cl Br I

numery grup N

Na Mg Ca Sc Y Ti Zr Hf Th V CrMn Fe

Co Ni Pt

Cu Zn

Ga Ge As Se Sb Te Bi

Rb Sr

Nb Mo Tc Ta W U Re

Ru Rh Pd Ag Cd In Os Ir Au Hg Tl

Cs Ba La

Klasa 1 Struktury o duej liczbie koordynacyjnej (w nawiasie). RPC, HZ, RSC. Wizanie metaliczne

Klasa 2 (porednia)

Klasa 3 Struktury o

RPC (8) HZ (12) RSC (12)

inna, zoona

liczbie koordynacyjnej = 8 N + 10 W. kowalencyjne

32

2008-10-15

Struktura i parametry sieci niektrych metaliRPC a Li Na K Fe Fe Mo W V Nb Cr Cr [nm] 0,350 0,428 0,533 0,286 0,314 0,316 0,303 0,329 0,287 Be Mg Ca Ca Ti Ti Zn Cd Zr Zr Co Co a [nm] 0,227 0,320 0,394 0,300 0,266 0,297 0,322 0,250 HZ c [nm] 0,359 0,520 0,646 0,473 0,494 0,561 0,512 0,407 c/a 1,58 1,63 1,64 1,58 1,85 1,89 1,59 1,60 Al Ca Ca Fe Fe Co Co Cu Ag Au Pb Ti Ti RSC a [nm] 0,404 0,556 0,356 0,354 0,360 0,408 0,407 0,494 0,332

Paszczyzna o najgstszym uoeniu atomwLiczba koordynacyjna liczba najbliszych rwnoodlegych atomw ssiednich Tylko w jednej paszczynie liczba najbliszych atomw =6

33

2008-10-15

Sekwencja uoenia paszczyzn w strukturach o najgstszym uoeniu atomwW strukturze HZ powtarza si sekwencja ABABAB W strukturze RSC wystpuje sekwencja ABCABCABC W strukturze RPC uoenie atomw nie jest najgstszeliczba koordynacyjna 8

Struktura HZ powstajca z kolejnoci uoenia atomw ABAB

34

2008-10-15

Struktura RSC z sekwencji uoenia atomw ABCABC

Struktury krystaliczne materiaw ceramicznychWiele materiaw ceramicznych ma jeden z n/w typw struktury krystalicznejRSC RPC HZ lub RP (regularna prymitywna)

Aniony tworz struktur krystaliczn a kationy rozmieszczone s w lukach midzy anionami Wymiar luki jest rwny maksymalnej rednicy kuli mieszczcej si w luceatom w luce oktaedrycznej otacza 6 atomw atom w luce tetraedrycznej otacza 4 atomy

35

2008-10-15

Geometria luk w strukturze RSC

Luki w strukturze RPC

36

2008-10-15

Charakterystyka lukRSC wymiary luki takie same w trzech kierunkachoktaedryczne; oktaedryczne; 1+12/4=3 luki na komrk; jedna luka przypada na jeden atom sieci; 0,414d 0,414d tetraedryczne 8 luk na komrk; na jeden atom sieci przypada dwie luki; 0,225d 0,225d

RPC luki wpisane s w bryy nieforemneoktaedryczne (spaszczony omiocian); 6/2+12/4=6 luk na komrk; trzy luki przypadaj na jeden atom sieci; 0,633d x 0,155d 0,633d 0,155d tetraedryczne 4*6/2=12 luk na komrk; na jeden atom sieci przypada sze luk; 0,291d 0,291d

HZ jak w przypadku struktury RSCw idealnej strukturze HZ stosunek wymiarw komrki c/a=1,633

RP jedna luka wewntrz komrki otoczona 8 atomamiszecian; jedna luka na komrk; na jeden atom sieci przypada jedna luka; 0,732d 0,732d

Materiay ceramiczne jonoweCeramiki jonowe s zwizkami chemicznymi metali z niemetalamiCsCl sie RP; po dwa atomy na punkt sieciowy NaCl; MgO; CaO; NiO; FeO; MnO; NbO; VO; CoO; CdO sie RSC; po dwa atomy na punkt sieciowy CaF2; ZrO2; UO2; ThO2; HfO2 sie RSC tworzy 4 kationy; 8 anionw zajmuje luki tetraedryczne Al2O3; Fe2O3; V2O3; Cr2O3; - jony tlenu tworz sie heksagonaln; kationy zajmuj 2/3 luk oktaedrycznych. Nie obsadzonych jest 1/3 luk i struktura jest znieksztacona

Krysztay s elektrycznie obojtne, dlatego musz by spenione wzory stechiometryczne Podobnie jak w krysztaach metali, d do jak najcilejszego uoenia jonw w przestrzeni

37

2008-10-15

Proste ceramiki kowalencyjneCeramiki kowalencyjne s zwizkami dwch niemetali, lub s czystymi pierwiastkamidiament sie RSC; dwa atomy na punkt sieciowy; wypenienie sieciowy; przestrzeni 34% (max 74%); najwiksza twardodiament mona te wyprodukowa z grafitu (5GPa, 1300C). Ostatnio 1300 modne jest robienie diamentw z ludzkich prochw po specjalnej kremacji

SiC jak diament lecz co drugi atom Si zamiast C; twardo mniejsza tylko od diamentu (podtlenku boru, azotku boru) grafit sie heksagonalna (lub romboedryczna) skadajca si z warstw atomw; atomw; wizanie Van der Waalsa pomidzy warstwami; stopie wypenienia przestrzeni 16%; wasnoci smarownicze

Nastpuje uwsplnianie elektronw, wic jest okrelona liczba ssiadujcych atomw Pooenia atomw s okrelone, bo wizanie kowalencyjne jest kierunkowe Konieczno minimalizacji energii wiza skutkuje tworzeniem acuchw, warstw lub sieci trjwymiarowych

Grafitrednica atomowa wgla w graficie 141pm Jak powierzchni zajmie 1g grafitu gdyby uoy tylko jedn warstw?

38

2008-10-15

PolimorfizmWystpowanie pierwiastka lub zwizku w rnych strukturach krystalicznych Alotropia jest terminem wszym i dotyczy wycznie czystych pierwiastkw Przemiana polimorficzna zachodzi gdy inna struktura bdzie miaa mniejsz energi Rnica energii zwizku wystpujcego w rnych strukturach jest maa, dlatego struktura ulega zmianie ze zmian temperatury Przemiana alotropowa w elazie (RPCRSC) przy (RPCRSC) temperaturze 912C umoliwia hartowanie stali 912 Przy temperaturze 1394C struktura RSC ma wiksz 1394 energi ni RPC i zachodzi przemiana (RSCRPC) (RSCRPC)

Struktura szkie na przykadzie krzemionkiSzko twardnieje i sztywnieje bez udziau krystalizacji Do temperatury zeszklenia zachowuje si jak ciecz przechodzona Poniej szybko zmian objtoci jest maa i staje si szkem Rys. dwuwymiarowy schemat struktury krzemionki krystalicznej i amorficznej Wysoka temp. miknienia 1200 1200C Dua lepko trudno formowalne, dlatego dodaje si modyfikatory sieci krystalicznej, np. Na2O lub CaO

39

2008-10-15

Elementy krystalografii podsumowanieWikszo materiaw inynierskich ma struktur krystaliczn z regularnym i powtarzalnym uoeniem atomw Jest siedem podstawowych ukadw krystalograficznych i 14 typw sieci Komrk elementarn mona opisa za pomoc parametrw sieciowych Pooenia, kierunki i paszczyzny sieciowe s opisywane za pomoc wskanikw Metale krystalizuj w jednej z trzech struktur: RPC, RSC lub HZ Wystpowanie pierwiastka lub zwizku w wicej ni jednej strukturze krystalicznej nazywa si polimorfizmem

Defekty struktury krystalicznejRzeczywista budowa krysztaw Roztwory stae Defekty punktowe Dyslokacje Granice ziarn Umocnienie

40

2008-10-15

Rzeczywista budowa krysztawDoskonale regularne i powtarzalne uoenie atomw w wzach sieci w rzeczywistych krysztaach nie wystpuje Defekty struktury krystalicznej niedoskonaoci w uoeniu atomw rzeczywistych krysztawchemiczne geometryczne

Uzyskanie materiau bez defektw chemicznych i geometrycznych jest niemoliwe Zanieczyszczenia chemiczne i geometryczne zaburzaj regularno struktury krystalicznej Wystpowanie akceptowalnego (dopuszczalnego) udziau defektw chemicznych i geometrycznych nie dyskwalifikuje materiau Niekiedy defekty wywouje si w strukturze krystalicznej, podczas procesu wytwarzania, w celu osignicia konkretnych wasnoci materiaupodobny efekt wywouj modyfikatory w strukturze krzemionki

Geometryczne defekty sieci krystalicznejPunktowe (np. wakancje) nie obsadzone pooenie atomowe w rezultacie drga cieplnych atomwstenie wakancji (wakansw) zmienia si wykadniczo ze zmian temperatury defekty zerowymiarowe zaburzaj struktur w maym obszarze

Liniowe (dyslokacje) umoliwiaj odksztacanie plastyczne metali i stopwdefekty jednowymiarowe

Powierzchniowe zaburzenia struktury krystalicznej o charakterze dwuwymiarowymgranica ziarn (grain boundary) obszar na styku dwch ziarn rnicych si orientacj krystaliczn. Strefa niedopasowania krystalicznego midzy ssiednimi ziarnami

41

2008-10-15

Roztwory staeRoztwr faza skadajca si z wicej ni jednego pierwiastka i zachowujca typ struktury rozpuszczalnika Roztwr stay wystpuje w stanie staymrozmieszczenie atomw skadnika rozpuszczonego w strukturze krystalicznej rozpuszczalnika jest przypadkowe (jak w roztworze ciekym)

Roztwr substytucyjny (podstawieniowy) atomy pierwiastka rozpuszczonego zajmuj pooenia atomw rozpuszczalnika w strukturze krystalicznej Roztwr stay midzywzowy rednica atomu skadnika jest duo mniejsza ni rednica atomu rozpuszczalnika. Atomy skadnika zajmuj wtedy pooenia w lukachroztwory midzywzowe z elazem tworz C, N, B, H i O ferryt i austenit wystpujce w stalach s roztworami tego typu

Roztwr stay cigy skadniki rozpuszczaj si w sobie w dowolnych proporcjachw przeciwnym razie rozpuszczalno skadnikw jest ograniczona

Przykady roztworw staych

42

2008-10-15

Fe Fe T912 T>912C

Dwa metale tworz roztwr stay cigy, gdy majTaki sam typ struktury krystalicznej Rnic rednic atomowych mniejsz ni 15% Zblion elektroujemnozdolno przyczania elekronw

Tak sam wartociowoliczba elektronw, biorcych udzia w tworzeniu wiza midzy atomami lub reakcji chemicznej

43

2008-10-15

Defekty punktowe w metalachWakancje (wakanse) puste (nie obsadzone) miejsce w strukturze krystalicznej Atomy rodzime w pooeniach midzywzowych Prawdopodobiestwo tego, e jakie pooenie atomowe w metalu jest puste wynosi 10-6 przy temperaturze 0,5Tt i 0,5T 10-3 tu poniej Tt

Defekty punktowe w zwizkach chemicznychW zwizkach defekty wystpuj parami, aby bya zachowana elektroobojtno struktury krystalicznej

44

2008-10-15

DyfuzjaCieplnie aktywowane przemieszczanie si atomw lub jonw w materiale W stanie staym szybko dyfuzji jest do 3 rzdw wielkoci mniejsza ni w cieczy Mechanizm wakancyjny Mechanizm midzywzowy

Drogi dyfuzjiDyfuzja objtociowa przez struktur krysztau Dyfuzja po granicach ziarn najatwiejsza Dyfuzja powierzchniowa w proszkach Prawo ArrheniusaD0 - staa Q energia aktywacji na atom R staa gazowa T - temperatura

45

2008-10-15

Szybko procesu dyfuzyjnegoZ prawa Arrheniusa wynika, e szybko procesu dyfuzyjnego zwiksza si wykadniczo ze wzrostem temperatury Inne zastosowania prawa Arrheniusaprzebieg reakcji chemicznych szybko utleniania szybko pezania szybko rozwoju grzybw, namnaania bakterii

Zjawisko dyfuzji wykorzystuje si w procesach obrbki cieplnocieplno-chemicznej (odrbny przedmiot)

DyslokacjeDyslokacje s defektami liniowymi - poza niewielkim obszarem wok linii zwanej lini dyslokacji, struktura krystaliczna jest doskonaa Dyslokacja jest granic oddzielajc cz krysztau w ktrej nastpio odksztacenie trwae (przemieszczenie atomw) i cz jeszcze nieodksztacon Krawdziowa - przemieszczenie atomw nastpuje w kierunku prostopadym do krawdzi dyslokacjilinia dyslokacji jest krawdzi koczcej si w krysztale paszczyzny atomowej

rubowa przemieszczenie atomw nastpuje w kierunku rwnolegym do krawdzi dyslokacjimoe by prawoskrtna (dodatnia) i lewoskrtna (ujemna) tak jak ruba

Gsto dyslokacji suma dugoci linii dyslokacji w jednostce objtoci materiau m/m3w metalach wyarzonych 1010m/m3 (rednia odlego do Ksiyca 3,84*108m) podczas odksztacania plastycznego nastpuje szybki wzrost gstoci dyslokacji w materiale odksztaconym na zimno przy redukcji przekroju 80% gsto dyslokacji wzrasta do 1016m/m3 (odlego do Plutona 6*1012m)

46

2008-10-15

Dyslokacja krawdziowa

rubowa

Wektor Burgersa

47

2008-10-15

Odksztacenie plastycznePowstaje na skutek zrywania wiza midzy ssiednimi atomami i tworzenia ich z nowymi ssiadami W materiaach krystalicznych zachodzigwnie dziki przemieszczaniu si dyslokacji (polizgowi) rwnie dziki bliniakowaniu odksztaceniowemu

Do spowodowania ruchu dyslokacji wystarcz niewielkie naprenia styczne w jej ssiedztwierzeczywista wytrzymao metali na cinanie (MPa) jest okoo trzy rzdy wielkoci mniejsza ni teoretyczna (GPa)

Odksztacenie plastyczne materiaw niekrystalicznych nastpuje podobnie jak w cieczach przez pynicie wiskozyjne

Polizg z udziaem dyslokacji

Aby dyslokacja moga si lizga musi dziaa naprenie styczne w paszczynie polizgu i w kierunku wektora Burgersa Dyslokacje krawdziowe przemieszczaj si gdy naprenia styczne dziaaj prostopadle do linii dyslokacji. rubowe przy napreniach rwnolegych Przemieszczenie dyslokacji przesuno cz krysztau powyej paszczyzny polizgu (czerwona przerywana) wzgldem pozostaej czci w kierunku wektora Burgersa o dugo wektora (-b) (Kierunki odksztacenia i cicia s takie same dla dyslokacji krawdziowej. Dla rubowej prostopade

48

2008-10-15

Systemy polizguPolizg po gadkiej powierzchni zachodzi atwiej ni po chropowatej Paszczyznami polizgu s paszczyzny o moliwie gstym uoeniu atomw Paszczyzn polizgu i lecy w niej kierunek polizgu nazywamy systemem polizgu Liczba systemw polizgu zaley od budowy komrki elementarnej

Paszczyzny i kierunki polizgu

49

2008-10-15

Naprenie przy przemieszczaniu dyslokacji (Peierlsa-Nabarro) (Peierlsa-

P N = adugoci wektora dyslokacji (Burgersa) b odlegoci pomidzy ssiednimi paszczyznami polizgu d

kd b

Opr jaki stawia struktura poruszajcej si dyslokacji (a, (a k stae dla materiau) zaley od

Materiay o wizaniach kowalencyjnych ulegaj zniszczeniu zanim naprenie spowoduje polizg Przemieszczenie dyslokacji w materiaach o wizaniu jonowym zaburza rwnowag jonw. Nastpuje pkanie kruche przy mniejszych napreniach ni polizg

MonokrysztaMateria skadajcy si z jednego krysztau (ziarna), jednego uoenia atomwma dokadnie takie wasnoci (linie polizgu, anizotropia) jak komrka elementarna na bazie ktrej powsta monokrysztay czystych metali maj pewn wytrzymao bo podczas ruchu dyslokacji (polizgu) nastpuje zrywanie i tworzenie wiza midzyatomowych

Kryszta ciao stae o regularnym i powtarzalnym uoeniu atomw, czsteczek lub jonw Uzyskanie monokrysztau jest trudne i kosztownemateria musi by chemicznie jednorodny monokryszta powstaje przy bardzo wolnym chodzeniu

Znajduj specjalne zastosowanie, np. na opatki turbin, w elektronice

50

2008-10-15

Materiay polikrystaliczneSkadaj si z duej liczby krysztaw (ziarn), o wymiarach 10-100m rnicych si jedynie 10-100 orientacj krystalograficznw niektrych materiaach ziarna mog by wiksze, np. cynk

Ziarno (grain) pojedynczy kryszta w polikrystalicznej strukturze stopu Midzy atomami ssiednich ziarn wystpuj siy atomowe tego samego rodzaju jak wewntrz krysztau

Granice ziarnGranica ziarn powierzchnia styku ssiednich krysztaw (ziarn) Granica ziarn jest stref niedopasowania krystalicznego midzy ssiednimi ziarnamiatomy zajmuj pooenia w wyniku kompromisu midzy wymaganiami strukturalnymi obydwu ssiadujcych ziarn odlegoci pomidzy atomami na granicy ziarn s inne ni wewntrz krysztau odlegoci midzyatomowe nie przekraczaj trzech rednic atomowych atomy w granicy ziarn maj wiksz energi wic s bardziej reaktywne ni we wntrzu krysztau s drogami atwiejszej dyfuzji s miejscami uprzywilejowanego zarodkowania wydzielajcej si fazy do niej czsto segreguj (koncentruj si) atomy domieszki

51

2008-10-15

Dwuwymiarowy model granicy ziarn

Granice bliniaczeDwie czci krysztau s bliniakami gdy jedna z nich jest lustrzanym odbiciem drugiej w pewnej paszczynie krystalograficznejpaszczyzna (111) w strukturze RSC ABCABCBACBAC ABCABC

Bliniaki s widoczne pod mikroskopem optycznym Typy bliniakwbliniaki wyarzania powstaj podczas wzrostu ziarn, gwnie w strukturze RSC (mied, stal austenityczna, mosidz) bliniaki odksztacania powstaj w dowolnej strukturzedrugi (po polizgu) wany mechanizm odksztacenia plastycznego metali bliniakowaniu sprzyja niska temperatura i due szybkoci odksztacenia

52

2008-10-15

UmocnienieWytrzymao materiau krystalicznego mona zwikszy (spowodowa umocnienie) przez wytworzenie w nim przeszkd dla ruchu dyslokacji dlatego, emateriay krystaliczne zawieraj dyslokacje polizg (przemieszczanie) dyslokacji prowadzi do odksztacenia plastycznego naprenie powodujce polizg wywiera na dyslokacj pewn si linia dyslokacji moe si wygina jeli na jej drodze znajdzie si przeszkoda

Mechanizmy umocnieniaroztworowe (wytworzenie roztworu) dyslokacyjne (odksztaceniowe) wydzieleniowe lub czstkami fazy dyspersyjnej rozdrobnienie ziarn. Wystpuje odwrotnie proporcjonalna zaleno pomidzy pierwiastkiem kwadratowym z powierzchni ziarna a granic plastycznoci

Umocnienie metaliWytworzenie przeszkd dla ruchu dyslokacji jest wane w metalach, gdzie polizg nastpuje atwo Due umocnienie roztworowe zapewniaj atomy domieszek, ktre powoduj znaczne znieksztacenie struktury, lecz ich rozpuszczalno, z tego samego powodu, jest niewielkajeeli zachodzi przemiana w stanie staym (martenzytyczna) to mona uzyska roztwory przesycone pierwiastkiem powodujcym znaczne znieksztacenie sieci krystalicznej

Podzia przeszkd ze wzgldu na wymiary (podobny jak podzia geometryczny defektw sieci krystalicznej)zerowymiarowe atomy domieszek (dodatkw stopowych) w roztworze staym jednowymiarowe dyslokacje dwuwymiarowe granice ziarn trjwymiarowe czstki innej fazy (powstajcej zgodnie z wykresem rwnowagi fazowej)

53

2008-10-15

Umocnienie roztworoweDyslokacje (defekt liniowy) oddziauj z atomami rozpuszczonymi (defekt zerowymiarowy) Wok atomu domieszki powstaje pole odksztace sprystych zmniejszajce ruchliwo dyslokacji Wartoci i zasig pl napre/odksztace wok atomu rozpuszczonego zaley od rnicy wielkoci atomw osnowy i domieszki Ju przy maej zawartoci domieszki wystpuj due zmiany wasnoci, np. granicy plastycznoci Re , twardoci

Umocnienie odksztacenioweW strukturach krystalicznych metali jest wiele systemw polizgu Odksztacenie plastyczne powoduje przemieszczanie dyslokacji Dyslokacje z przecinajcych si paszczyzn polizgu spitrzaj si i gromadz umocnienie odksztaceniowe Moe utrudnia walcowanie cienkich blach naprenie pynicia plastycznego ronie Mona uzyska tylko w elementach obrabianych plastycznietemperatura materiau po procesie umocnienia nie moe wzrosn powyej 0,3Tt

54

2008-10-15

Umocnienie (utwardzanie) wydzieleniowe lub czstkami fazy dyspersyjnejDyslokacje czasem mog cina (przechodzi przez) mae czstki, ktre maj takie same paszczyzny i kierunki krystaliczne jak osnowa Czstki (generalnie, zwaszcza twarde) utrudniaj ruch dyslokacjimog by opasywane i omijane przez dyslokacje po przejciu dyslokacji wok czstki powstaje ptla dyslokacyjna jeeli czstki s gsto uoone, naprenie przemieszczajce dyslokacj musi by wystarczajco due

Czstkami umacniajcymi mog by wydzielenia, np.czstki wglikw lub azotkw w stali czstki bogate w mied dla stopw aluminium z miedzi (nie brzw)

Wydzieleniami mona utwardza stopy, w ktrych rozpuszczalno domieszki maleje przy obnianiu temperaturypodczas eksploatacji temperatura elementu nie moe by wysza ni temperatura rozpuszczania wydziele

Dyslokacja napotyka na wydzielenie lub czstk

55

2008-10-15

Defekty struktury - podsumowanieMateriay krystaliczne zawsze zawieraj defekty: punktowe, liniowe i powierzchniowe W zalenoci od wielkoci atomu rozpuszczonego w stosunku do atomu rozpuszczalnika roztwory mog by midzywzowe lub podstawieniowe Cieplnie aktywowane przemieszczanie si atomw w ciele staym nazywa si dyfuzj Dyslokacje mog przemieszcza si pod wpywem napre stycznych Zwikszanie gstoci defektw struktury krystalicznej powoduje zwikszenie wytrzymaoci nazywane umocnieniem

Wykresy fazoweRegua faz Dwuskadnikowe wykresy fazowe Rozpuszczalno skadnikw w stanie staym Wykresy fazowe z przemianami i mikrostruktury Ukad rwnowagi fazowej elazo-cementyt elazo-

56

2008-10-15

Regua faz (Gibbsa)Faza (phase) f objto stopu (ukadu) o wyranych granicach, na ktrych wasnoci chemiczne lub fizyczne ulegaj skokowej zmianie Fazy s oznaczane kolejnymi literami greckimi Skadnikami n ukadu s pierwiastki lub zwizki niezbdne do utworzenia wszystkich faz Liczba stopni swobody s liczba moliwych zmiennych niezalenych (temperatura, stenie skadnikw, cinienie) W stopach metali (przy staym cinieniu): s = n f + 1 Dla czystego pierwiastka (zwizku) przy temperaturze topnienia s = 1 2 + 1 = 0

Wykres fazowy jednoskadnikowy i dwuskadnikowy

Skad stopu zawsze podajemy w procentach masowych Na linii wykresu mog wystpowa dwie fazy Jaka faza wystpuje przy temperaturze 0C? 0 Czy w punkcie potrjnym mog wystpowa trzy fazy?

57

2008-10-15

Wykresy fazowe dwuskadnikoweDwuwymiarowe mapy wystpowania poszczeglnych faz we wsprzdnych temperatura skad stopu Mona wg nich ledzi tworzenie mikrostruktur i zachodzenie przemian przy zmianie temperatury i skadu Odzwierciedlaj idealne warunki rwnowagi fazowej (powolne przemiany) W stopach rzeczywistych przemiany zachodz w warunkach rnicych si od idealnych

Nieograniczona rozpuszczalno skadnikw w stanie staymSkadniki A i B Temperatura topnienia A i B Obszar jedno/dwufazowy Likwidus Solidus Okrelanie skadu faz w obszarze dwufazowym

58

2008-10-15

Krzepnicie (topienie) stopu o rednim skadzie ZT1 z cieczy o skadzie d powstaje kryszta o skadzie a (najwiksza zawarto skadnika X) T2 z cieczy o skadzie e powstaj krysztay o skadzie b T3 ostatni kryszta powstaje z cieczy o skadzie f (najwiksza zawarto skadnika Y) Dziki dyfuzji wszystkie krysztay w stanie staym powinny mie skad Z

Zastosowanie reguy faz GibbsaJeeli s = 1 struktura dwufazowa zostaje zachowana Gdy s = 1, jedna ze zmiennych (temperatura lub skad faz) jest zalena od drugiej Gdy s = 2, temperatura i skad faz mog zmienia si niezalenie

59

2008-10-15

Regua dwigniSuy do okrelania wzgldnych udziaw poszczeglnych faz w obszarach dwufazowych

m + mL = 100g 0,2m + 0,8mL = 0,6 (100g ) dla skkadni B m = 33,3g mL = 66,7g Oglnie : c m + c m = c(m + m )

Gdzie jest ta dwignia?Przeprowadzi poziom lini przez punkt stanu Punkty przecicia z wykresem zrzutowa na o skadu Odczyta skad poszczeglnych faz Dugoci odcinkw na dwigni s odwrotnie proporcjonalne do udziaw masowych faz

60

2008-10-15

Mikrostruktura stopu o nieograniczonej rozpuszczalnoci skadnikw w stanie staym

Brak rozpuszczalnoci w stanie staym

61

2008-10-15

Zastosowanie reguy faz GibbsaNa poziomej linii wykresu fazowego s zawsze = 0 Jeeli s = 0 krzepnicie lub topienie zachodzi w ustalonych warunkach (w jednym punkcie wykresu) Jeeli s = 1 struktura dwufazowa zostaje zachowana Gdy s = 1, jedna ze zmiennych (temperatura lub skad faz) jest zalena od drugiej Gdy s = 2, temperatura i skad faz mog zmienia si niezalenie

Mikrostruktura przy braku rozpuszczalnoci w stanie staym

62

2008-10-15

Wykres fazowy z przemian eutektyczn, gdy skadniki rozpuszczaj si w stanie staymSkadniki tworz ze sob roztwory stae i max rozpuszczalno skadnika B w A wynosi 20% max rozpuszczalno skadnika A w B wynosi 10%

Zachodzi ograniczona rozpuszczalno skadnikw w stanie staym Przemiana eutektyczna izotermiczna przemiana jednej fazy w dwie podczas chodzenia

Zastosowanie reguy faz Gibbsa

63

2008-10-15

Zmiany mikrostruktury w stopie o skadzie eutktycznym

Zmiany mikrostruktury w stopie o skadzie podeutektycznymPrzy szybkim chodzeniu, skad fazy poniej temperatury eutektycznej moe nie zmienia sina granicach ziarn fazy nie zdy wydzieli si dyfuzyjna faza uzyskamy przesycony roztwr stay skadnika B w fazie

64

2008-10-15

Mikrostruktura w stopie podeutektycznym, w ktrym nie zachodzi przemiana eutektyczna

Struktura materiau - opisAlbojednorodna (po wyarzaniu) pytkowa (pasmowa) drobnoziarnista (duy stopie dyspersji) rozwinita granica faz (ziarn) wystpuj wtrcenia segregacja strefowa

alboniejednorodna (po starzeniu) kulista (sferyczna) gruboziarnista maa powierzchnia granic faz (ziarn) bez wtrce (niemetalicznych) rwnomierny rozkad skadnikw

65

2008-10-15

Wykres fazowy z przemian eutektoidaln

Wykres fazowy z przemian perytektyczn

66

2008-10-15

Tworzenie fazy midzymetalicznej (poredniej ) AmBn podczas przemiany perytektycznej

Wykresy fazowe dwuskadnikowe podsumowaniePomidzy obszarami jednofazowymi wystpuj obszary dwufazoweobszary jednofazowe nie ssiaduj ze sob

W obszarze dwufazowym jest mieszanina faz ssiednich obszarw jednofazowych Obszary dwufazowe granicz w punktach lub przez lini poziom (izoterm) Linie poziome oznaczaj przemian przy staej temperaturzewystpuj na nich trzy fazy, wic liczba stopni swobody jest rwna zero

Struktury eutektoidalne s drobniejsze ni eutektyczne, bo przemiana zachodzi w stanie staym

67

2008-10-15

PojciaSkadnik struktury cz struktury materiau o okrelonej i charakterystycznej mikrostrukturze widocznej pod mikroskopem Tekstura struktura materiau polikrystalicznego charakteryzujca si podobn orientacj sieci krystalicznej wikszoci ziarnuzyskiwana w wyniku obrbki plastycznej lub wyarzania jej skutkiem jest istnienie silnej anizotropii wasnoci

Segregacja niejednorodno skadu chemicznego materiau spowodowana powolnoci reakcji (dyfuzji) lub oddziaywaniem z atomami domieszki Wydzielenie wytworzenie si nowej fazy z roztworu przesyconego

elazoStruktura RPC (odmiana alotropowa Fe-) do Fetemperatury 912C (G) 912 Powyej temperatury 912 do 1394C (N) struktura RSC 1394 (odmiana alotropowa Fe-) ma mniejsz energi FeOd temperatury 1394C do temperatury topnienia 1394 wystpuje struktura RPC oznaczana Fe-() odmiana Fealotropowa elazo nie ma zastosowania w technice dlatego na wykresie Fe-Fe3C czsto pomija si punkty BHJN FePoniej temperatury 770C jest ferromagnetyczne, 770 powyej paramagnetyczne (nieuywane oznaczenie )

68

2008-10-15

Objanienie do ukadu Fe-Fe3C FeStabilnym ukadem jest ukad Fe-C FeZmiany w stopach elaza zachodz zgodnie z ukadem Fe-Fe3C, Fektry jest metastabilny, bo:do utworzenia si grafitu rozsegregowanie skadnikw musi by wiksze praca zarodkowania grafitu (wysokoenergetyczne granice fazowe) jest wiksza ni Fe3C stale zawieraj mangan, ktry stabilizuje Fe3C

Likwidus krzywa ABCD na dwuskadnikowym wykresie fazowym powyej ktrej wystpuje tylko ciecz Solidus krzywa AHJECF na dwuskadnikowym wykresie fazowym poniej ktrej stabilne s tylko fazy stae Stal stop zawierajcy wicej elaza ni jakiegokolwiek innego pierwiastka, mniej ni 2% wgla (E) oraz inne pierwiastki (stopowa wicej ni niestopowa). Stal niestopowa zawiera mniej ni, np.0,3% kadego z pierwiastkw takich jak: Al, Co, Cr, Ni, W 0,1% kadego z pierwiastkw: Bi, La (kady), Se, Te, V

Stopy elaza z wglem o skadzie na prawo od zawartoci wgla punktu E nazywamy surwkami lub eliwami

Punkty na ukadzie rwnowagi Fe-Fe3C Fe-

Ozn.

A

B

C

D

E

F G H

J

K N P Q S

%C

0

0,53 4,30 6,67 2,11 6,67

0

0,09 0,17 6,67

0 0,02 0,008 0,77 20727

C

1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 1394 727

69

2008-10-15

Prosz nie szkicowa

Ukad rwnowagi elazo-cementyt elazo-

70

2008-10-15

Ukad rwnowagi elazo-cementyt elazo-

To trzeba zapamita; opis pl

71

2008-10-15

mona wydedukowa

Definicje skadnikw strukturalnychferryt cementyt Fe3Cpierwszorzdowy drugorzdowy trzeciorzdowy

perlit austenit ferryt wysokotemperaturowy ledeburytledeburyt przemieniony

mieszaniny powstajce przy staej temperaturze i skadzie maj nazwy wasneinne mieszaniny, ktre nie maj nazw wasnych na wykresie

72

2008-10-15

Przemiany w stopach Fe-Fe3C przy Festaej temperaturzePerytektyczna (J) 1495C (J 1495 H + L B J

Eutektyczna (C) 1148C (C 1148LC E + Fe3C

Eutektoidalna (S) 727C (S 727S P + Fe3C

Ferryt () (Midzywzowy roztwr stay wgla w elazie lub (ferryt wysokotemperaturowy) o strukturze RPC Prawie czyste elazo, max 0,0218%C (P), przy (P temperaturze normalnej 0,008%C (Q) (Q Wiedzc, e masa atomowa Fe=55,85 oraz C=12,01 mona obliczy ile procent luk oktaedrycznych zajmuj atomy wgla w strukturze ferrytu

73

2008-10-15

Austenit () (Midzywzowy roztwr stay wgla w elazie o strukturze RSC Najwiksza rozpuszczalno 2,11%C (E), przy temperaturze eutektoidalnej 0,77%C (S) (S Rozpuszczalno wgla w austenicie jest znacznie wiksza ni w ferrycie bo luka oktaedryczna jest wiksza

Cementyt Fe3CWglik elaza o rombowej strukturze krystalicznej Zawarto wgla 6,67% nie zaley od temperatury i wynika ze wzoru stechiometrycznego Pierwszorzdowy (pierwotny) wydziela si z cieczy o skadzie nadeutektycznym Drugorzdowy (wtrny) wydziela si z austenitu z powodu zmniejszania rozpuszczalnoci wgla wzdu krzywej ES Trzeciorzdowy wydziela si z ferrytu gdy rozpuszczalno wgla zmniejsza si wzdu krzywej PQ

74

2008-10-15

PerlitMieszanina eutektoidalna ferrytu, (P) o (P zawartoci 0,0218%C, i cementytu Zawiera 0,77%C Struktura o budowie pytkowej, podobnie jak eutektyka Skada si z na przemian uoonych pytek ferrytu i cementytu o stosunku gruboci pytek 8:1

LedeburytMieszanina eutektyczna austenitu, (E) o (E zawartoci 2,11%C, i cementytu Zawiera 4,3%C Tworzy struktur o budowie pytkowej Poniej temperatury 727C (SK) wystpuje 727 (SK) ledeburyt przemieniony po zajciu eutektoidalnej przemiany austenitu w perlit Ledeburyt przemieniony skada si z ferrytu i cementytucementyt + austenit -> cementyt + perlit (ferryt + cementyt) = ferryt + cementyt

75

2008-10-15

Struktura w ukadzie Fe-Fe3C Fe-

Wykresy fazowe - podsumowanieUmoliwiaj identyfikacj faz stabilnych w warunkach rwnowagowych, tzn. przy powolnym chodzeniu Udzia poszczeglnych faz mona obliczy przy uyciu reguy dwigni Liczb zmiennych parametrw ukadu mona okreli za pomoc reguy faz Gibbsa Rne stopy mona klasyfikowa ze wzgldu na rozpuszczalno skadnikw w stanie staym Przy chodzeniu stopw o ograniczonej rozpuszczalnoci mog wystpowa przemiany eutektyczna i perytektyczna Obszary jednofazowe nigdy nie le w ssiednich polach ukadu dwuskadnikowego Ukad Fe-Fe3C stanowi naukow baz do analizy technologii stopw Feelaza z wglem

76

2008-10-15

Zmiany strukturalnePrzyczyny przemian strukturalnych Zarodkowanie i wzrost krysztaw Przemiany dyfuzyjne i bezdyfuzyjne Obrbka cieplna stali Zdrowienie i rekrystalizacja Rozrost ziarn

Przyczyna zmian strukturalnychPrzy staej temperaturze i cinieniu motorem przemian jest minimalizacja energii swobodnej FE energia wewntrzna T temperatura S entropia P cinienie V - objto

77

2008-10-15

Przykad krystalizacji

Zarodkowanie i wzrost krysztaw

78

2008-10-15

Krystalizacja materiawWikszo metali otrzymujemy z rud w procesach hutniczych stan cieky eby w metalu nie zasza krystalizacja (powstaje posta amorficzna) naley go chodzi z prdkoci wiksz od 106K/s Krystalizacja tworzenie krysztaw (ziarn) przy zmianie stanu z ciekego na stay Wyroby z metali (stopw) odlane sodlewami maj form wyrobu kocowego, struktur i wasnoci materiau determinuje odlewanie wlewkami maj proste ksztaty i s nastpnie przerabiane plastycznie (walcowane lub kute) struktura wyrobu powstaje w wyniku dalszej obrbki, zalenej od struktury odlewu

Polimery i ceramiki czsto nie krystalizuj pomimo powolnego chodzenia

Wzrost krysztaw w warunkach zblionych do rwnowagiTemperatura cieczy jest wysza od temperatury krystalizacji Temperatura krysztaw jest nisza od temperatury krystalizacjiciepo krystalizacji (topnienia) jest odprowadzane przez krysztay do otoczenia

Krysztay wypuke nie s trwae gdy wokoo jest ciecz o temperaturze wikszej Front krystalizacji (granica pomidzy faz ciek i sta) jest paski

79

2008-10-15

Zarodkowanie przy przechodzeniu i dendrytyczny wzrost krysztawTemperatura maleje po obu stronach frontu krystalizacji Ciepo krystalizacji wydziela si na granicy faz Wypukoci szybko rosn tworzc dendryty (ksztat drzew) bo im dalej od frontu tym nisza temperatura

SegregacjaNiejednorodny skad stopu powstajcy w warunkach innych ni rwnowagowe Mikrosegregacja wystpuje w maej skalispowodowana jest tworzeniem dendrytw podczas krystalizacji jest przyczyn wystpowania kruchoci na gorco obszary dendrytyczne topi si przy niszej temperaturze ni solidus mona j usun stosujc wyarzanie ujednorodniajce

Makrosegregacja rnice w skadzie pomidzy czci rodkow i przypowierzchniow wlewka lub odlewuwarstwa przypowierzchniowa zawiera wicej skadnika o wyszej temperaturze topnienia obrbka cieplna (dyfuzja) nie usuwa makrosegregacji zmniejszy makrosegregacj mona przez obrbk plastyczn na gorco

80

2008-10-15

Struktura odlewu (wlewka)Mona wyrni trzy strefy krysztawzamroonych cienka warstwa najbliej formy, mae krysztay o przypadkowej orientacji kolumnowych (iglastych, supkowych) wyduone w kierunku odprowadzania ciepa, w strukturach RPC i RSC kierunek krysztaw jest zgodny z kierunkiem przepywu ciepa rwnoosiowych (wolnych) w rodkowej czci odlewu najwolniej stygncej, due krysztay o przypadkowej orientacji

W grnej czci wlewka, przy krzepniciu materiau, powstaje pusta przestrze nazywana jam skurczow

Kinetyka przemianKlasyfikacja przemian strukturalnychdyfuzyjne w przypadku migracji atomw w materiale konieczne powolne zmiany temperatury bezdyfuzyjne niewielkie uporzdkowane przemieszczenia atomw wzgldem pooe wstpnych wzrost (przebudowa) krysztaw z prdkoci dwiku

Podstawowe przemiany w staliaustenityzacja (I) i przemiana perlityczna (II) przemiana martenzytyczna (nieodwracalna III) odpuszczanie przemiana martenzytu w ferryt i cementyt (nieodwracalna IV)

81

2008-10-15

Przemiany dyfuzyjne w stalachAustenityzacja przemiana perlitu w austenit Podczas przemian przechodzonego austenitu mog powstawa rne struktury w wyniku dyfuzyjnych przemianperlitycznej perlit, grubopytkowy lub drobny perlit, (troostyt) troostyt) bainitycznej bainit

Dodatkowe oznaczeniaA1 PSK, Ac1 przemiana przy nagrzewaniu PSK, Ac A3 GSK, Ar3 przemiana przy chodzeniu GSK, Ar Acm SE

Austenityzacja (przemiana -> )Przemiana perlitu w austenit przy staej temperaturze 727 727C (Ac1)rozpoczyna si na granicy faz cementytu i ferrytu przemiana alotropowa -> zachodzi szybciej ni rozpuszczanie cementytu

W stali podeutektoidalnej (perlit + ) pozostay ferryt ulega przemianie w austenit do temperatury Ac3 W stali nadeutektoidalnej (perlit + Fe3C) w austenicie rozpuszcza si cementyt wtrny do temperatury Accm Ostatecznie otrzymuje si austenitpocztkowo w miejscach gdzie by cementyt jest wicej wgla dyfuzyjne ujednorodnienie austenitu w obrbie ziarna zachodzi po pewnym czasie

82

2008-10-15

Przemiana perlitycznaPrzy powolnym chodzeniu austenitu, na granicy ziarn austenitu powstaj zarodkiferrytu dla stali podeutektoidalnej cementytu dla stali nadeutektoidalnej

Obok, w obszarze zuboonym w wgiel powstaje pytka ferrytu, itd. twardo ok. 220HB Przy wikszym przechodzeniu powstaje perlit drobny o wikszej wytrzymaoci i twardoci 500HB Przy maym przechodzeniu szybciej rosn ziarna perlitu, przy duym szybciej przebiega zarodkowanie

Wykresy CTPCzas (logarytm) Temperatura Przemiana Okrela uamek objtoci tworzcej si fazy w funkcji czasu dla przemian zachodzcych w warunkach innych ni warunki rwnowagi fazowej (szybkie chodzenie) Krzywe pocztku, koca i 50% przemiany Ksztat litery C lustrzane odbicie krzywej krystalizacji Zarwno przy maym jak i duym przechodzeniu czas do rozpoczcia przemiany jest dugi CTPi (TTT Time Termperature Transformation) dla izotermicznego Transformation) chodzenia materiauatwiejsze do interpretacji

CTPc (CCT Continous Cooling Transformation) dla cigego Transformation) chodzenia materiauwaniejsze podczas produkcji w stosunku do wykresw CTPi s przesunite w prawo i w stron niszej temperatury

83

2008-10-15

Wykres CTPi dla stali eutektoidalnej

EgzaminCo naley przynie na kady egzamin (regulamin studiw 26 ust. 5)indeks, kart egzaminacyjn, max 2 dugopisy okulary i chusteczki higieniczne, jeli kto uywa

Egzamin zerowy dodatkowy (31 ust. 5) ( ustny przed sesj egzaminacyjn, na ostatnim wykadzie przed sesjdodatkowo przynie dwie kartki A4

Zapytam osoby, ktre w mojej ocenie mog przystpi do egzaminu w terminie zerowym, o to czy s chtnedopuszczonych zostanie okoo 20 studentw

84

2008-10-15

Przemiany na wykresie CTPiZakresy i rodzaje przemian przechodzonego austenitu:od temperatury A1 do minimalnej trwaoci austenitu (550 (550C) przemiana perlityczna, widoczna rwnie na wykresie Fe-Fe3C Feod temperatury minimalnej trwaoci austenitu do Ms przemiana bainityczna poniej temperatury Ms przemiana martenzytyczna (bezdyfuzyjna)

Bainit mieszanina ferrytu przesyconego wglem i wglikw, mikrostruktura iglasta

Przykady przechodzenia austenitu

85

2008-10-15

Wykres CTPi dla stali podeutektoidalnej

Przemiana bainitycznaCharakter poredni pomidzy przemian perlityczn (dyfuzyjn) i martenzytyczn (bezdyfuzyjn) Bainit grny powstaje przy temperaturze 550-400C 550-400podobnie jak perlit skada si z listew ferrytu i cementytu

Bainit dolny powstaje przy temperaturze poniej 400C 400czstki wglikw tworz si we wntrzu pytek ferrytu bainitycznego

W miar obniania temperatury przemiany bainitycznejpowstaje wicej dyslokacji w ferrycie wzrasta przesycenie wglem zwiksza si dyspersja (rozdrobnienie) wglikw wytrzymao bainitu jest wiksza

86

2008-10-15

Przemiana martenzytycznaAustenit ochodzony poniej temperatury 250C (Ms) ulega przemianie 250 bezdyfuzyjnej (martenzytycznej), zachodzcej z prdkoci dwikunie jest konieczne cieplne wzbudzenie atomw

Martenzyt zawiera tyle samo wgla ile zawiera austenit, z ktrego martenzyt powsta Martenzyt przesycony roztwr stay wgla w elazie o sieci tetragonalnej przestrzennie centrowanej, mikrostruktura iglastama struktur elaza zdeformowan przez nadmiar atomw wgla. Parametry sieci zale od zawartoci wgla c/a=1+0,045*(%C)

Przemiana martenzytyczna zachodzi rwnie w niektrych metalach, ich stopach, materiaach ceramicznych i polimerach

Otrzymywanie martenzytu w staliTemperatura pocztku i koca przemiany martenzytycznej silnie zaley od skadu stali Ms(C)=561-474*(%C)C)=561-474*(%C)33*(%Mn)-17*(%Ni)-17*(%Cr)33*(%Mn)-17*(%Ni)-17*(%Cr)21*(%Mo) Struktur martenzytu uzyskuje si w wyniku hartowania Aby zakoczy przemian trzeba materia chodzi poniej Mf (obrbka podzerowa)dla stali rednio- i redniowysokowglowych oraz stopowych temperatura Mf jest mniejsza ni temperatura normalna

87

2008-10-15

Austenit szcztkowy w staliAustenit pozostay z powodu nie zakoczenia przemiany martenzytycznej Objto martenzytu jest wiksza ni objto austenitu, austenitu, z ktrego powstagdyby tak nie byo nie zachodziaby przemiana RPC -> RSC

Austenit nie moe w caoci ulec przemianie bo brakuje miejsca

Powstawanie struktury martenzytuWzrost pytek martenzytu zachodzi szybko z prdkoci dwiku Wielko pierwszych pytek martenzytu jest ograniczona wielkoci ziarna austenitu (T2) Pytki powstajce przy dalszym obnianiu temperatury s mniejsze Aby uzyska wasnoci izotropowe stali wielko pytek martenzytu powinna by jak najmniejszaprzed hartowaniem nie naley przegrzewa materiau bo prowadzi to do rozrostu ziarn austenitu wic pytki martenzytu te bd wiksze

88

2008-10-15

Wytrzymao martenzytuPytki (listwy) martenzytu maj mae wymiary (