Temat 3 Nauka o materiałach Budowa metali i stopów
BUDOWA MATERII SKALA 10-3 do 10-6 10-6 do 10-10 m m 10-10 do 10-16 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
Atomy
LICZBA STANÓW ENERGETYCZNYCH ELEKTRONU wg: L. Dobrzański
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)
PRZYBLIŻENIE BUDOWY ATOMOWEJ Atom Przybliżenie nie uwzględnia funkcji gęstości ΘΦ Kształt orbitali ma wpływ na położenie atomów w kryształach Konfiguracja elektronowa Fe 2+2+6+2+6+2+6 = 26
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
wg: L. Dobrzański
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
Ruch atomów
RÓŻNICA W WIĄZANIACH JONOWYCH I METALICZNYCH
SIEĆ KRYSTALOGRAFICZNA
KOMÓRKA ELEMENTARNA Def. Najmniejszy powtarzający się element sieci krystalograficznej
14 podstawowych typów sieci przestrzennej Bravais go KLASYFIKACJA SIECI KRYSTALOGRAFICZNYCH
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
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
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
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
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
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
TEST EGZAMIN zag. 8 8. 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
DEFEKTY STRUKTURY KRYSTALICZNEJ Punktowe Atomy międzywęzłowe Atomy zamiennowęzłowe Wakanse Liniowe Dyslokacje krawędziowe Dyslokacje śrubowe Powierzchniowe Granice ziaren
Wady struktury krystalicznej defekty punktowe
Wady struktury krystalicznej defekty punktowe
Wady struktury krystalicznej defekty punktowe
Wady punktowe budowy krystalicznej i lokalne odkształcenie sieci przestrzennej kryształu wokół nich a) wakans i kontrakcja sieci b) atom międzywęzłowy i ekspansja sieci
DEFEKTY PUNKTOWE
Dyslokacje Dyslokacja krawędziowa (a) i śrubowa (b)
Dyslokacje a odkształcenie plastyczne
Ruch dyslokacji
Granice ziaren
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
Defekty w roztworach stałych Schemat odkształcenia sieci w roztworze stałym różnowęzłowym, spowodowanego przez atom pierwiastka rozpuszczonego a) ekspansja sieci, b) kontrakcja sieci
Mikrostruktura wlewka. Ziarna zamrożone 1, ziarna słupkowe 2, ziarna wolne 3, jama usadowa 4
Nauka o materiałach Temat związany z ćwiczeniem audytoryjnym Układy równowagi stopów podwójnych
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.
ANALIZA TERMICZNA SCHEMAT 0000012345 MILIWOLTOMIERZ REJESTRATOR LUB KARTA POMIAROWA PC ELEMENTY GRZEJNE PIEC LUB IZOLACJA TERMICZNA BADANY STOP TERMOPARA W OSŁONIE CERAMICZNEJ
SCHEMAT KRZEPNIĘCIA CZYSTEGO METALU T Temperatura krzepnięcia Ciepło przemiany fazowej Do otoczenia t
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 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B
PEŁNA ROZPUSZCZALNOŚĆ Zachodzi dyfuzja atomy A wchodzą w sieć metalu B B A wg: L. Dobrzański
Cu-Ni pełna rozpuszczalność
Cu-Ni budowa stopu
UKŁADY RÓWNOWAGI
BRAK ROZPUSZCZALNOŚCI wg M. Blicharski
Stop eutektyczny Nie zachodzi dyfuzja atomy A nie wchodzą w sieć metalu B A B Przełamanie bariery stężeniowej A A B B eutektyka
Bi-Cd brak rozpuszczalności
Bi-Cd budowa stopów
OGRANICZONA ROZPUSZCZALNOŚĆ wg M. Blicharski
Sn-Pb ograniczona rozpuszczalność wg M. Blicharski
Sn-Pb budowa stopów
AI-Si częścowa rozp ze strony AL
Al-Si budowa stopów
UKŁAD Z FAZĄ MIĘDZYMETALICZNĄ wg: L. Dobrzański
Cu-P faza międzymetaliczna
Układ przestrzenny wg: L. Dobrzański
Układ równowagi miedź cynk MOSIĄDZ
TEST EGZAMIN zag. 9 9. 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)
TEST EGZAMIN zag. 10 10.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)
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 0.0218% 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.
Nauka o materiałach Układ równowagi żelazo-cementyt
Układ żelazo-cementyt
Układ równowagi żelazo-cementyt wer. 2
UPROSZCZONY UKŁAD ŻELAZO CEMENTYT
Fe-C teoretyczny
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.
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
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.
STALE
Struktury mieszane
Żelazo cementyt wg: L. Dobrzański
Fe-C teoretyczny
Żelazo cementyt II