Temat 3. Nauka o materiałach. Budowa metali i stopów

Transkrypt

1 Temat 3 Nauka o materiałach Budowa metali i stopów

2 BUDOWA MATERII SKALA 10-3 do do m m do m ~10-24 m? STRUKTURA MATERII WG TEORII STRUN: 1) kryształ; 2) sieć atomów; 3) atom; 4)elektron; 5) proton składający się z kwarków; 6) hipotetyczne struny

3 Atomy

4 LICZBA STANÓW ENERGETYCZNYCH ELEKTRONU wg: L. Dobrzański

5 Położenia i prędkości elektronów otaczających jądro atomu, zgodnie z zasadą nieoznaczoności, nie można dokładnie opisać. Można tylko określić prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w poszczególnych miejscach otaczających jądro. Strukturę elektronową należy sobie wyobrażać jako chmurę elektronową wokół jądra. Duże prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w danym miejscu odpowiada dużej gęstości chmury elektronowej. Gęstość chmury elektronowej na jednostkę objętości ρ można przedstawić jako iloczyn trzech funkcji, z których każda jest uzależniona odpowiednio od odległości promieniowej od jądra r lub kątów θ i ϕ, określających położenie danego punktu względem jądra we współrzędnych biegunowych Iloczyn funkcji Θ(θ) Φ(ϕ), zwany czynnikiem funkcji gęstości ΘΦ, przedstawiony w postaci trójwymiarowego wykresu, z dostatecznym przybliżeniem obrazuje zewnętrzny kształt atomu Kształty funkcji Θ(θ) oraz trójwymiarowe wykresy czynnika funkcji gęstości Θ(θ) Φ(ϕ) (według P. Wilkesa)

6 PRZYBLIŻENIE BUDOWY ATOMOWEJ Atom Przybliżenie nie uwzględnia funkcji gęstości ΘΦ Kształt orbitali ma wpływ na położenie atomów w kryształach Konfiguracja elektronowa Fe = 26

7 Rodzaje wiązań atomowych Wyróżnia się następujące wiązania między atomami: jonowe, atomowe, zwane też kowalencyjnymi, metaliczne. wtórne Energia wiązań między atomami w różnych substancjach wg: L. Dobrzański

8 wg: L. Dobrzański

9 Równowagowe położenie atomów Trwałe wiązania występują gdy siły przyciągające przewyższają siły odpychające U 0 Krzywa sił odpychających Pojedyncze jony np. Cu + atomy np. Cu Krzywa przyciągania elektrostatycznego gazu elektronowego Siły odpychające między atomami są głównie spowodowane nakładaniem się powłok elektronowych atomów. Zakaz Pauliego. Przy rozważaniu sił odpychania należy również uwzględnić czysto kulombowskie oddziaływanie między jądrami atomów. Siły przyciągania mają charakter sił elektromagnetycznych. r 0 ~1 nm r Zależność energii potencjalnej od odległości między atomami

10 Ruch atomów

11 RÓŻNICA W WIĄZANIACH JONOWYCH I METALICZNYCH

12 SIEĆ KRYSTALOGRAFICZNA

13 KOMÓRKA ELEMENTARNA Def. Najmniejszy powtarzający się element sieci krystalograficznej

14 14 podstawowych typów sieci przestrzennej Bravais go KLASYFIKACJA SIECI KRYSTALOGRAFICZNYCH

15 KOMÓRKA SIECI REGULARNEJ ŚCIENNIE CENTROWANEJ (RŚC) LUB A1 Metal Symbol Stała sieciowa a (nm) Aluminium Al 0,404 Miedź Cu 0,360 Żelazo g (austenit) 912 Fe g 0,356 Nikiel Ni 0,351 Kobalt b 492 Co 0,395 Pallad Pd 0,388 Srebro Ag 0,307 Platyna Pt 0,391 Złoto Au 0,407 Ołów Pb 0,493

16 Komórka sieci regularnej ściennie centrowanej (RŚC) lub A1 Schemat elementarnej komórki sieci regularnej płasko centrowanej A1 a) rozłożenie atomów, b) płaszczyzny o gęstym ułożeniu atomów, c) luki oktaedryczne R=0,414D d) luki tetraedryczne R=0,225D wg: L. Dobrzański

17 KOMÓRKA SIECI REGULARNEJ PRZESTRZENNIE CENTROWANEJ (RPC) LUB A2 Metal Symbo l Stała sieciowa a (nm) Tytan b 882 Ti 0,332 Wanad V 0,303 Żelazo a (ferryt) 912 Fe a 0,286 Chrom Cr 0,287 Niob Nb 0,329 Cyrkon Zr 0,361 Tantal Ta 0,329 Molibden Mo 0,314 Wolfram W 0,316

18 Komórka sieci regularnej przestrzennie centrowanej (RPC) lub A2 Schemat elementarnej komórki sieci regularnej przestrzennie centrowanej A2 a) rozłożenie atomów, b) płaszczyzny o gęstym ułożeniu atomów, c) luki oktaedryczne R=0,155D d) luki tetraedryczne R=0,291D wg: L. Dobrzański

19 KOMÓRKA SIECI HEKSAGONALNEJ ZWARTEJ (HZ) LUB A3 Metal Symbol Stała sieciowa a/c (nm) Beryl Be 0,228/0,357 Magnez Mg 0,320/0,520 Tytan a 882 Ti a 0,295/0,472 Kobalt a 492 Co 0,250/0,407 Cynk Zn 0,266/0,494 Itr Y 0,366/0,581 Kadm Cd 0,297/0,561 Ren Re 0,276/0,445 Hafn Hf 0,320/0,507

20 Komórka sieci heksagonalnej zwartej (HZ) lub A3 Schemat elementarnej komórki sieci heksagonalnej zwartej A3 a) rozłożenie atomów, b) schemat sekwencji ułożenia płaszczyzn A3 oraz w sieci A1 (A, B i C) o najgęstszym ułożeniu atomów, c) luki oktaedryczne R=0,414D d) luki tetraedryczne R=0,225D wg: L. Dobrzański

21 TEST EGZAMIN zag W jakim metalu występuje sieć krystalograficzna: regularna ściennie centrowana (RSC) w całym zakresie temperatur regularna ściennie centrowana (RSC) tylko w wysokiej temperaturze regularna przestrzennie centrowana (RPC) w całym zakresie temperatur regularna przestrzennie centrowana (RPC) tylko w wysokiej temperaturze regularna przestrzennie centrowana (RPC) tylko w niskiej temperaturze heksagonalna zwarta (HZ) w całym zakresie temperaturze heksagonalna zwarta (HZ) tylko w niskiej temperaturze inna niż (RSC, RPC, HZ) Nikiel Wanad Kobalt Platyna Chrom Żelazo Wolfram Miedź Tytan Magnez Cyna Złoto Mangan Aluminium Ołów Molibden Niob Cynk

22 DEFEKTY STRUKTURY KRYSTALICZNEJ Punktowe Atomy międzywęzłowe Atomy zamiennowęzłowe Wakanse Liniowe Dyslokacje krawędziowe Dyslokacje śrubowe Powierzchniowe Granice ziaren

23 Wady struktury krystalicznej defekty punktowe

24 Wady struktury krystalicznej defekty punktowe

25 Wady struktury krystalicznej defekty punktowe

26 Wady punktowe budowy krystalicznej i lokalne odkształcenie sieci przestrzennej kryształu wokół nich a) wakans i kontrakcja sieci b) atom międzywęzłowy i ekspansja sieci

27 DEFEKTY PUNKTOWE

28 Dyslokacje Dyslokacja krawędziowa (a) i śrubowa (b)

29 Dyslokacje a odkształcenie plastyczne

30 Ruch dyslokacji

31

32 Granice ziaren

33 Roztwory stałe Schemat rozmieszczenia atomów w strukturze roztworu stałego różnowęzłowego; A atomy metalu rozpuszczalnika, B atomy pierwiastka rozpuszczonego Schemat rozmieszczenia atomów w strukturze roztworu stałego międzywęzłowego; A atomy metalu rozpuszczalnika, B atomy pierwiastka rozpuszczonego

34 Defekty w roztworach stałych Schemat odkształcenia sieci w roztworze stałym różnowęzłowym, spowodowanego przez atom pierwiastka rozpuszczonego a) ekspansja sieci, b) kontrakcja sieci

35 Mikrostruktura wlewka. Ziarna zamrożone 1, ziarna słupkowe 2, ziarna wolne 3, jama usadowa 4

36 Nauka o materiałach Temat związany z ćwiczeniem audytoryjnym Układy równowagi stopów podwójnych

37 Zagadnienia na ćwiczenie audytoryjne Temat: Układy równowagi. 1. Budowa stanowiska do analizy termicznej. 2. Krzywa krzepnięcia metalu w stanie czystym. 3. Przebieg układu równowagi dla stopów o pełnej rozpuszczalności. 4. Sposób tworzenia się roztworu stałego w przypadku pełnej rozpuszczalności. 5. Przebieg układu równowagi dla stopów przy całkowitym braku rozpuszczalności. 6. Krzywe krzepnięcia stopów przy całkowitym braku rozpuszczalności. 7. Sposób krzepnięcia i budowa eutektyki. 8. Budowa stopów w zakresie stężeń pod i nadeutektycznych. 9. Przebieg układu równowagi dla stopów o ograniczonej rozpuszczalności. 10. Budowa stopów z układu równowagi stopów o ograniczonej rozpuszczalności.

38 ANALIZA TERMICZNA SCHEMAT MILIWOLTOMIERZ REJESTRATOR LUB KARTA POMIAROWA PC ELEMENTY GRZEJNE PIEC LUB IZOLACJA TERMICZNA BADANY STOP TERMOPARA W OSŁONIE CERAMICZNEJ

39 SCHEMAT KRZEPNIĘCIA CZYSTEGO METALU T Temperatura krzepnięcia Ciepło przemiany fazowej Do otoczenia t

40 Układ równowagi stopów Wykres przedstawiający zależność pomiędzy temperaturą wydzielania ciepła przemiany a składem chemicznym stopu T Linia jednakowego składu chemicznego stopu metali A i B T A B

41 PEŁNA ROZPUSZCZALNOŚĆ Zachodzi dyfuzja atomy A wchodzą w sieć metalu B B A wg: L. Dobrzański

42 Cu-Ni pełna rozpuszczalność

43 Cu-Ni budowa stopu

44 UKŁADY RÓWNOWAGI

45 BRAK ROZPUSZCZALNOŚCI wg M. Blicharski

46 Stop eutektyczny Nie zachodzi dyfuzja atomy A nie wchodzą w sieć metalu B A B Przełamanie bariery stężeniowej A A B B eutektyka

47 Bi-Cd brak rozpuszczalności

48 Bi-Cd budowa stopów

49 OGRANICZONA ROZPUSZCZALNOŚĆ wg M. Blicharski

50 Sn-Pb ograniczona rozpuszczalność wg M. Blicharski

51 Sn-Pb budowa stopów

52 AI-Si częścowa rozp ze strony AL

53 Al-Si budowa stopów

54 UKŁAD Z FAZĄ MIĘDZYMETALICZNĄ wg: L. Dobrzański

55 Cu-P faza międzymetaliczna

56 Układ przestrzenny wg: L. Dobrzański

57

58 Układ równowagi miedź cynk MOSIĄDZ

59 TEST EGZAMIN zag Jeżeli dwa metale A i B tworzą układ równowagi z eutektyką, to jaka struktura stopu z tego układu sprzyja dobrym właściwościom odlewniczym dobrej podatności do odkształceń plastycznych. wysokiej odporności na zużycie ścierne niskiej wytrzymałości zmęczeniowej wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej dobrym właściwościom ślizgowym wysokiej granicy plastyczności niskiej twardości wysokiej twardości podatności do obróbki skrawaniem możliwości umacniania wydzieleniowego wysokiej odporności korozyjnej Eutektyka (A+B) Roztwór stały (a) Wydzielenia wtórne (a ) w roztworze (β) Metal A z eutektyką (A+B) Metal B z eutektyką (A+B) Eutetektoid (g) Eutektyka (α+β) Wydzielenia wtórne (β ) w roztworze stałym (a) Roztwór stały (β) Roztwór (α) z eutektyką (α+β) Roztwór (β) z eutektyką (α+β)

60 TEST EGZAMIN zag Jaką budowę ma stop złożony z dwóch metali A i B w przypadku całkowitej rozpuszczalności obu składników w sobie: braku rozpuszczalności w zakresie stężeń podeutektycznych braku rozpuszczalności w zakresie stężeń nadeutektycznych braku rozpuszczalności w zakresie stężenia eutektycznego częściowej rozpuszczalności spadającej wraz ze spadkiem temperatury częściowej rozpuszczalności spadającej wraz ze spadkiem temperatury w zakresie stężeń nadeutektycznych częściowej rozpuszczalności spadającej wraz ze spadkiem temperatury w zakresie stężeń podeutektycznych częściowej rozpuszczalności spadającej wraz ze spadkiem temperatury w zakresie stężenia eutektycznego częściowej rozpuszczalności spadającej wraz ze spadkiem temperatury w zakresie stężeń poniżej granicznej rozpuszczalności rozpadu wysokotemperaturowego roztworu stałego tworzenia fazy międzymetalicznej A 2 B w zakresie stężenia stechiometrycznie odpowiadającego fazie Eutektykę (A+B) Roztwór stały (a) Metal A z eutektyką (A+B) Metal B z eutektyką (A+B) Fazę międzymetaliczną np. (A 2 B) Eutetektoid Eutektykę (α+β) Wydzielenia wtórne (β ) w roztworze stałym Roztwór (α) z eutektyką (α+β) Roztwór (β) z eutektyką (α+β)

61 Zagadnienia na ćwiczenie audytoryjne Temat: Struktury stopów żelaza z węglem. 1. Przebieg układu równowagi żelazo-cementyt, linie likwidus i solidus. 2. Budowa i zakres występowania roztworów stałych w układzie równowagi żelazocementyt. 3. Budowa i zakres występowania mieszanin eutektycznej i eutektoidalnej w układzie równowagi żelazo-cementyt. 4. Budowa i zakres występowania cementytu pierwszo, drugo i trzeciorzędowego w układzie równowagi żelazo-cementyt. 5. Budowa stopu w zakresie od 0,008 do % C. 6. Budowa stopu w zakresie od 0,0218 do 0.77% C. 7. Budowa stopu w zakresie od 0,77 do 2,11% C. 8. Budowa stopu w zakresie od 2,11 do 4,3% C. 9. Budowa stopu w zakresie od 4,3 do 6,67% C. 10. Budowa stopu w zakresie 0,77 % C. 11. Struktura żeliwa szarego. 12. Struktura żeliwa sferoidalnego. 13. Struktura żeliwa ciągliwego. 14. Struktura żeliwa białego. 15. Właściwości żeliw w zależności od rodzaju wydzieleń grafitu. 16. Właściwości żeliw w zależności od rodzaju osnowy.

62 Nauka o materiałach Układ równowagi żelazo-cementyt

63 Układ żelazo-cementyt

64 Układ równowagi żelazo-cementyt wer. 2

65 UPROSZCZONY UKŁAD ŻELAZO CEMENTYT

66

67 Fe-C teoretyczny

68 FAZY w układzie żelazo-cementyt W układzie równowagi żelazo-cementyt występują następujące fazy jednorodne: ROZTWORY STAŁE AUSTENIT (γ) międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe γ o strukturze RŚC, A1 i rozpuszczalności węgla od 0,8% w temperaturze przemiany eutektoidalnej 727 C do 2,11% w temperaturze przemiany eutektycznej 1148 C. FERRYT (α) międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe α o strukturze RPC, A2 i maksymalnej rozpuszczalności węgla w żelazie wynoszącej od 0,0218% w temperaturze przemiany eutektoidalnej 727 C malejącej do 0,008% w temperaturze pokojowej.

69 MIESZANINA to struktura złożona z co najmniej dwóch faz MIESZANINY PERLIT mieszanina eutektoidalna ferrytu i Fe 3 C ( ) (drugorzędowego), powstająca z rozpadu austenitu o zawartości 0,77% węgla. Perlit ma najczęściej budowę płytkową, w której płytki ferrytu są ułożone na przemian z płytkami cementytu drugorzędowego LEDEBURYT mieszanina eutektyczna austenitu i Fe 3 C ( ) (pierwszorzędowego), powstająca podczas krzepnięcia ciekłego stopu o zawartości 4,3% węgla. Ledeburyt ma budowę drobnych wydzieleń. Poniżej temperatury 727 C przechodzi w formę LEDEBURYTU PRZEMIENIONEGO w którym austenit przemienia się w perlit

70 FAZY w układzie żelazo-cementyt Cementyt (Fe 3 C) węglik żelaza o strukturze rombowej złożonej i zawartości węgla 6,67% (25% at.). Jest to faza bardzo twarda (ok. 800HB) i krucha, faza wydzielająca się w trakcie chłodzenia w różnych zakresach temperatury jako: CEMENTYT PIERWSZORZĘDOWY wydzielający się podczas krzepnięcia powyżej 1148 C, w formie ziaren iglastych. CEMENTYT DRUGORZĘDOWY wydzielający się z AUSTENITU w wyniku malejącej rozpuszczalności węgla w Fe γ wraz z obniżaniem temperatury od 1148 C do 727 C w formie siatki na granicach ziaren. CEMENTYT TRZECIORZĘDOWY-wydzielający się z FERRYTU wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w Fe α podczas obniżania temperatury stopu od 727 C do temperatury otoczenia formie drobnych wydzieleń w ziarnach i na ich granicach.

71

72

73 STALE

74

75 Struktury mieszane

76 Żelazo cementyt wg: L. Dobrzański

77 Fe-C teoretyczny

78 Żelazo cementyt II