dr inż. Hanna Smoleńska

MATERIAŁOZNAWSTWO
Wydział Mechaniczny,
Mechatronika, sem. I

Budowa stopów metali

Po co stopy?

Czy można mieszać dowolne składniki w
dowolnych proporcjach?

Stop – substancja składająca się z

metalu

stanowiącego osnowę, do której wprowadzono co

najmniej

jeden pierwiastek

(metal lub niemetal), wykazująca cechy

metaliczne.

Skład chemiczny podawany w stężeniu masowym lub

atomowym

Stopy mogą być

jedno-

lub

wielofazowe

Faza

: jednorodna część stopu, oddzielona od reszty

stopu powierzchnią rozdziału, zwaną granicą faz. Na
granicy faz skład i właściwości zmieniają się w sposób
nieciągły (skokowy).

Układ równowagi: zbiór faz w stanie równowagi

termodynamicznej

Składniki stopów to:

pierwiastki

,

roztwory stałe

,

fazy

międzymetaliczne i międzywęzłowe



Rodzaje faz:

stałe, ciekłe, gazowe

 Rodzaje

faz stałych

:

pierwiastki

,

roztwory stałe

,

fazy

międzymetaliczne

Roztwory stałe

• Roztwór stały - jednorodna faza o

wiązaniu

metalicznym i strukturze krystalicznej

, czego

skutkiem są właściwości metaliczne

• Wyróżnia się

rozpuszczalnik

(pierwiastek –

składnik o większym stężeniu) i pierwiastek -

składnik rozpuszczony

Roztwory stałe

:

Roztwory podstawowe

: rozpuszczalnikiem jest

pierwiastek

Roztwory wtórne

: rozpuszczalnikiem jest faza

międzymetaliczna

Roztwory stałe

:

•

międzywęzłowe

(atomy składnika rozpuszczonego

między węzłami sieci rozpuszczalnika) –

graniczne

-

np. Fe z B, O, C, H, N

•różnowęzłowe

(atomy rozpuszczalnika i składnika

rozpuszczonego w węzłach sieci)-

ciągłe lub

graniczne

– ekspansja lub kontrakcja sieci

•Roztwory międzywęzłowe

są roztworami

granicznymi

; zawsze

ma miejsce ekspansja sieci.
•Tworzą je metale przejściowe (np. Fe, Ti) z pierwiastkami
niemetalicznymi o bardzo małych promieniach atomowych (H,
C, N).

Roztwory

różnowęzłowe

mogą być:

ciągłe

(dowolne proporcje atomów

rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego) lub

graniczne

(ograniczona rozpuszczalność

pierwiastka rozpuszczonego); zawsze ma miejsce
ekspansja lub kontrakcja sieci.

Schemat struktury roztworu stałego
różnowęzłowego dwuskładnikowego:

A ○ – atomy rozpuszczalnika ,

B ● – atomy pierwiastka

rozpuszczonego

Roztwór stały

ciągły

Schemat deformacji sieci roztworu stałego

różnowęzłowego

,

wywołanej przez atom pierwiastka rozpuszczonego:

a) ekspansja, b) kontrakcja

Reguły Hume-Rothery`ego

tworzenia roztworów stałych

ciągłych

• Oba składniki posiadają

jednakowy typ struktury

krystalicznej.

• Nieograniczona

rozpuszczalność

tylko

przy

stosunku promieni atomowych składników <1,08,

natomiast

ograniczona

rozpuszczalność

w

wypadku stosunku promieni atomowych >1,15.

• Im

mniejsza

różnica

elektrowartościowości

składników, tym większa możliwość tworzenia
roztworów stałych ciągłych.

• Jednakowa wartościowość

składników sprzyja

nieograniczonej rozpuszczalności składników.

Nadstruktury

•W niektórych roztworach stałych
różnowęzłowych, przy określonym stężeniu,
ma miejsce przemiana nieporządek –
porządek w trakcie chłodzenia lub
nagrzewania (

nadstruktura

).

•Wzory AB, AB

3

, A

3

B

T

Roztwór o strukturze nieuporządkowanej (a) i uporządkowanej (b)

a)

b)

Umocnienie roztworów stałych

Stopy jednofazowe o strukturze roztworów stałych wykazują
zwykle wyższe właściwości wytrzymałościowe niż czyste
metale.

Umocnienie poprzez tworzenie się roztworu stałego

(obecność pierwiastków rozpuszczonych w sieci
rozpuszczalnika)

wiąże się z działaniem jednego lub kilku

mechanizmów dyslokacyjnych:

 blokowaniem dyslokacji w położeniach wyjściowych,

 zmniejszeniem szybkości ruchu dyslokacji w wyniku
zwiększenia naprężenia tarcia sieci,

 utrudnieniem w pokonywaniu przeszkód przez dyslokacje
w wyniku ograniczenia poślizgu poprzecznego

.

Mechanizmy umocnienia

pokonywanie przez dyslokacje pól naprężeń wokół
niedopasowanych atomów pierwiastka rozpuszczonego -
(mechanizm Motta – Nabarro)

ruch postępowy dyslokacji
zachodzi przez przeskakiwanie
odcinka linii dyslokacji L,
kilkakrotnie dłuższego od
odległości λ między
rozpuszczonymi atomami do
następnego położenia
równowagowego

sprężyste blokowanie ruchu dyslokacji (mechanizm
Cottrella)

• atomy rozpuszczone np. węgla gromadzą się wokół linii
dyslokacji dla zmniejszenia występujących w tych miejscach
naprężeń rozciągających, tworząc tzw. atmosfery Cottrell'a.
Wywołanie ruchu dyslokacji z takiego obszaru, gdzie
utworzyły się te atmosfery wymaga większego naprężenia
stycznego.

•Gdy przyłożone naprężenie pokona oddziaływanie między
dyslokacją a atmosferą, może ona poruszać się przy mniejszym
naprężeniu, co decyduje o wystąpieniu wyraźnej granicy
plastyczności.

Atmosfery Cottrella – „kotwiczenie” dyslokacji

Atomy międzywęzłowe w metalach o sieci A2 silnie umacniają

ponieważ:

•Wytwarzają bardzo duże pola naprężeń sprężystych wokół siebie

- dzięki umiejscawianiu się w pobliżu dyslokacji obniżają ich energię

•wytwarzają pola naprężeń o charakterze hydrostatycznym i tnącym

- kotwiczą w ten sposób dyslokacje krawędziowe i śrubowe

•Mogą szybko dyfundować, nawet w temperaturze pokojowej

- dlatego mogą „znajdować” dyslokacje w ciągu kilku godzin lub dni.

Wyraźna granica plastyczności i zjawisko

starzenia odkształceniowego

chemiczne blokowanie rozszczepionych dyslokacji

*

zgodnie z

mechanizmem Suzuki :

• w wyniku dyfuzji powstają w stopie obszary o lokalnie
zwiększonym stężeniu pierwiastka rozpuszczonego i obniżonej
przez to energii błędu ułożenia, które przyciągają się z
rozszczepionymi dyslokacjami

• dyslokacje cząstkowe w wyniku oddziaływania pierwiastków
rozpuszczonych są bardziej rozszczepione, co doprowadza do
dalszego poszerzania pasma błędu ułożenia między dyslokacjami
cząstkowymi i skutecznie zapobiega poślizgowi poprzecznemu
dyslokacji śrubowych;

*

Naprężenie poślizgu dyslokacji częściowych jest mniejsze niż dyslokacji całkowitych. Dlatego często

dyslokacje całkowite ulegają rozszczepieniu na częściowe. Rozszczepieniu dyslokacji towarzyszy
powstanie błędu ułożenia.

Umocnienie występuje wtedy gdy obce atomy wykazują inną

rozpuszczalność wokół błędu ułożenia niż w obrębie matrycy

Gdy obce atomy wykazują większą rozpuszczalność wokół BU:

A

: (Stan nierównowagowy)

Dyslokacje i BU.

Obce atomy o takiej samej koncentracji c

o

w matrycy i wokół BU.

B

: (Stan równowagowy)

Obce atomy o koncentracji c

o

w matrycy i c

1

( > c

o

) wokół BU

(obce atomy dyfundują do BU).

Eenergia BU (na jednostkę powierzchni) jest mniejsza, co
powoduje poszerzenie „wstęgi” BU, a to z kolei powoduje:

•Zmniejszenie napięcia liniowego dyslokacji

•Zmniejszenie całkowitej energii dyslokacji

•Wokół BU powstaje gradient koncentracji obcych atomów, co jest

•źródłem siły chemicznej blokującej ruch dyslokacji

geometryczne blokowanie ruchu dyslokacji - mechanizm
Fishera;

•atomy pierwiastka rozpuszczonego zamiast pozostawać w
bezładnym ułożeniu mogą tworzyć lokalne zgrupowania
tzw. klastry lub mogą układać się regularnie w sieci
rozpuszczalnika tworząc uporządkowanie bliskiego
zasięgu, co utrudnia ruch dyslokacji, gdyż ruch ten
wymaga zniszczenia klastrów lub uporządkowania
bliskiego zasięgu.

Zawarte w klastrach atomy
dodatków stopowych hamują ruch
dyslokacji w płaszczyźnie poślizgu
i wymuszają ich uginanie.

Fazy międzymetaliczne

Fazy międzymetaliczne – to połączenia metali lub
metali

z

niemetalami,

wykazujące

właściwości

metaliczne ze względu na

częściowy lub całkowity

udział

wiązania

metalicznego

między

atomami

wchodzącymi w skład fazy.

Fazy międzymetaliczne

Charakterystyczne cechy:

Struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze
składników

Uporządkowane rozmieszczenie atomów w sieci
krystalicznej

Przewaga wiązania metalicznego między atomami

Wzajemne stosunki ilościowe atomów składników nie
odpowiadają ich wartościowościom chemicznym, jakie
składniki wykazują w związkach chemicznych, chociaż
przypisuje się im określone wzory podobnie do związków
chemicznych –

odchylenia od stechiometrii

!

Kryteria

klasyfikacji faz międzymetalicznych:

Stężenie elektronowe -

stosunek liczby elektronów

wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnej-
możliwe stężenia 21/14(3/2), 21/13, 21/12(7/4)

Wielkość atomów składników

Rodzaje

faz międzymetalicznych:

elektronowe

Lavesa

o strukturze siatek kagome

międzywęzłowe

Roztwory stałe wtórne (różnowęzłowe, międzywęzłowe,

pustowęzłowe)

:

Są to roztwory, w których

rozpuszczalnikiem jest faza

międzymetaliczna

, a składnikiem

rozpuszczonym

–

jeden lub

wszystkie pierwiastki tworzące fazę.

Fazy elektronowe

•Stężenie elektronowe: stosunek liczby elektronów
wartościowości do liczby atomów w komórce
elementarnej

•Możliwe wartości stężenia elektronowego: 21/14(3/2),
21/13, 21/12(7/4))

•Roztwory stałe wtórne o wyraźnych właściwościach
metalicznych

Klasy metali tworzących fazy

elektronowe

Przykłady faz elektronowych

•Fazy

Lavesa

Tworzą się przy stosunku promieni
atomowych 1,05-1,68

Wzór AB

2

M.in. w stopach Fe, Mn, Cr i Mo z innymi
metalami np. MgCu

2

MgZn

2

MgNi

2

MgCu

2

•Fazy o strukturach siatek kagome

 Fazy σ, P, R, µ, δ

•Charakter roztworów stałych wtórnych

 Powstają po długotrwałym wygrzewaniu
roztworów stałych podstawowych

Płaskie siatki warstw atomowych faz parkietowych pochodne od
siatek kagome:

a) siatka kagome; b) struktura fazy σ; c) struktura fazy P; d) struktura

fazy µ

Przykłady faz σ, P, R, µ, δ

•

Fazy międzymetaliczne

międzywęzłowe

Fazy międzymetaliczne, których

węzły

są

obsadzone atomami jednego z metali
przejściowych

M (Fe, Cr, Mo, Mn, Ti),

a pozycje

międzywęzłowe

są zajęte przez atomy

pierwiastków

niemetalicznych o małym

promieniu atomu

X (H, B, C, N) - węgliki, azotki,

wodorki, borki, węglikoazotki

 O ich powstaniu decyduje czynnik wielkości
atomów.

Klasyfikacja w zależności od

stosunku promieni

metalu

r

M

i niemetalu

r

X

 Gdy

r

X

/r

M

≤

0,59

, tworzą się

fazy o strukturach prostych

, o

wzorach M

4

X,

M

2

X, MX

, MX

2

(układ regularny lub

heksagonalny o prostych komórkach elementarnych)

 Gdy

r

X

/r

M

> 0,59

, tworzą się fazy o

strukturach złożonych

, o

wzorach M

3

X, M

23

X

6

, M

7

X

3

, M

6

C (układ rombowy, regularny,

heksagonalny o złożonych komórkach elementarnych)



Azotki i węgliki

typu

MN i MC

oraz

M

2

N i M

2

C

są

izomorficzne

(ten sam typ sieci krystalicznej) i cechują się

wzajemną rozpuszczalnością. Możliwe jest więc tworzenie w
stopach

węglikoazotków

typu M(C,N) i M

2

(C,N)

Struktury proste

Węgliki

Struktura sieciowa cementytu Fe

3

C

Struktury złożone

Struktura sieciowa węglika Cr

23

C

6

Węgliki metali przejściowych

Azotki i węglikoazotki

Azotki metali przejściowych

Umocnienie stopów cząstkami

faz wtórnych

• Spowodowane przez różnice między cząstkami a osnową:

struktury sieciowej, składu chemicznego, własności
sprężystych i wytrzymałościowych

• Utwardzanie wydzieleniowe: cząstki faz wydzielają się w

osnowie przy tworzeniu koherentnej granicy
międzyfazowej, sprężystego odkształcenia sieci i pola
naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe
zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy plastyczności

• Utwardzanie dyspersyjne: cząstki faz są wprowadzane w

procesie wytwarzania; występuje granica niekoherentna

Oddziaływania między cząstkami

faz wtórnych a dyslokacjami

• Przecinanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje

(niewielka twardość cząstek i uprzywilejowana orientacja
krystalograficzna)

• Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku

tworzenia zamkniętych pętli dyslokacyjnych

• Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku

zmiany płaszczyzny poślizgu poprzez wspinanie lub
poślizg poprzeczny