STRUKTURA I WŁASNOŚCI INTERMETALIKÓW

Silne wiązania atomowe w uporządkowanej nadstrukturze decydują o dużej sta-

bilności własności tych stopów kontrolowanych przez dyfuzję. Struktura tych sto-
pów jest zróżnicowana w zależności od składu chemicznego i może być:

jednofazowa –

γ

, drobno- i gruboziarnista, równoosiowa lub pryzmatyczna,

dwufazowa – duplex

γ

+ (

α

2

+

γ

),

Widmanstättena – drobno- i gruboziarnista w układzie kolonii płytek

γ

/

α

2

,

gdzie

α

2

oznacza Ti

3

Al.

Na rysunku 7.48 przedstawiono schematycznie przykład zakresów rozpuszczal-

ności licznych pierwiastków w fazie Ni

3

Al w 1000°C, decydujących o umocnieniu

roztworu stałego tego stopu. Pierwiastki te można podzielić na trzy grupy.
W pierwszej grupie znajdują się Si, Ge, Ti, V i Hf występując zawsze w pozycjach
w podsieci Al w tej fazie. Drugą grupę tworzą Cu, Co i Pt zastępujące Ni w jego
podsieci. Trzecia grupa pierwiastków, do których należą Fe, Mn i Cr, zajmują w sie-
ci pozycje obydwu pierwiastków. O takich zachowaniach decyduje głównie wiel-
kość atomów tych pierwiastków.

Na rysunku 7.49 przedstawiono natomiast fragment przekroju trójskładnikowe-

go układu równowagi Ti–Al–Si. Do zalet tych stopów, zwłaszcza z udziałem Al lub
Ti należy:

mała gęstość i wysoka wytrzymałość właściwa,
wysoka granica plastyczności oraz dobra wytrzymałość na pełzanie,
wysoki moduł sprężystości wzdłużnej (Younga),
zadowalająca wytrzymałość na zmęczenie niskocykliczne,
wysoka temperatura topnienia,
mały współczynnik samodyfuzji i związana z tym wysoka odporność na rekry-
stalizację, pełzanie i utlenianie,
stabilność struktury i własności do ok. 900°C (w zależności od składu che-
micznego).

7. Metale nieżelazne i ich stopy

804

Rysunek 7.48

Schemat fragmentu przekroju trójskładnikowego wykresu równowagi Ni–X–Al z dodatkami pierwiastka X
(X to Cu, Co, Pt, Sc, Cr, Fe, Mn, In, Sb, Sn, Mo, W, Ta, V, Hf, Nb, Zn, Ti, Ga, Si, Ge) w 1000°C (według S. Ohiai,
Y. Oya i T. Suzuki)

7 roz 8-11-02 18:30 Page 804

Do wad tych stopów należy zaliczyć:

niską plastyczność,
małą odporność na kruche pękanie,
skłonność do przełomu międzykrystalicznego w temperaturze pokojowej.

Własności wybranych stopów na osnowie faz międzymetalicznych przedstawiono
w tablicy 7.66.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

805

Rysunek 7.49

Fragment izotermicznego przekroju wykresu równowagi Ti–Al–Si w temperaturze 1200°C
(według J.S. Wu, P.A. Beavena, R. Wagnera, C. Hartiga i J. Seegera)

Tablica 7.66

Własności wybranych intermetalików oraz stopów Ti i Ni (według C.T. Liu, J.O. Stieglera oraz F.H.S. Froesa)

Własności

Intermetaliki Ti

3

Al

Intermetaliki TiAl

Stopy Ti

Nadstopy Ni

Struktura krystaliczna

D0

19

L1

0

A3/A2

A1/L1

2

Gęstość, g/cm

3

4,1÷4,7

3,7÷3,9

4,5

8,3

Moduł sprężystości wzdłużnej E, GPa

110÷145

160÷180

95÷115

206

Granica plastyczności R

p0,2

, MPa

700÷990

400÷650

380÷1150

280÷1150

Wytrzymałość na rozciąganie R

m

, MPa

800÷1140

450÷800

480÷1200

750÷1400

Wydłużenie A, %

– w temperaturze pokojowej

2÷10

1÷4

10÷25

5÷40

– w temperaturze podwyższonej

10÷20

10÷60

12÷50

10÷40

Odporność na pękanie K

Ic

, MPa

⋅

m

1/2

13÷30

10÷20

wysoka

25

Granica pełzania, °C

760

1000

600

1090

Utlenianie, °C

650

900

600

1090

7 roz 8-11-02 18:30 Page 805

WYTWARZANIE I ZASTOSOWANIE INTERMETALIKÓW

Podstawowym procesem technologicznym wytwarzania tych stopów są metody

odlewnicze, chociaż możliwe jest również zastosowanie mechanicznego stopowa-
nia i metalurgii proszków. Stopy te znajdują zastosowanie na:

elementy turbin gazowych, sprężarek w lotnictwie,
wirniki turbosprężarek oraz zawory i pierścienie w silnikach wysokoprężnych
w przemyśle samochodowym,
elementy pracujące w podwyższonej temperaturze przy zmiennych obciąże-
niach w warunkach ścierania i korozji, w tym na pompy pracujące w warun-
kach intensywnej kawitacji, narzędzia do obróbki plastycznej na gorąco, ele-
menty pieców do obróbki cieplnej i cieplno–chemicznej, czasze wirujące
w przemyśle metalowym, chemicznym, szklarskim i włókienniczym,
na osnowę kompozytów metalowo–ceramicznych.
Dodatki chromu, cyrkonu, molibdenu, niobu i boru wpływają na zmianę rodza-

ju wiązań w tych stopach, podwyższają ich własności technologiczne i ciągliwość.
Liczne z intermetalików wykazują niewystarczającą odporność na utlenianie powy-
żej 650°C, co wymaga zastosowania odpowiednich pokryć ochronnych.

Początkowo grupa tych stopów obejmowała aluminidki niklu, żelaza i tytanu,

których rozwój doprowadził do ich szerokich zastosowań praktycznych, a obecnie
ponadto stosowane są inne generacje tych stopów, zwłaszcza trójaluminidki
Al

3

X oraz ognioodporne krzemki. Ich skłonność do kruchego pękania i mała cią-

gliwość decydują o ograniczeniach w praktycznych zastosowaniach. Niemniej za-
notowano wyraźny postęp dotyczący zwiększenia niskotemperaturowej ciągliwości
oraz żarowytrzymałości tych stopów. Intermetaliki z nadstrukturą i podwyższoną
ciągliwością są stosowane w podwyższonej temperaturze, wykazując wysoką żaro-
wytrzymałość, niską gęstość i dużą odporność na korozję. Aluminidki tytanu Ti

3

Al

i TiAl o wysokiej wytrzymałości właściwej są stosowane na silniki odrzutowe i ele-
menty samochodów oraz w wielu innych przypadkach. Aluminidki niklu Ni

3

Al

o dobrej wytrzymałości, ciągliwości i odporności na korozję są stosowane na ma-
tryce do pracy w wysokiej temperaturze, elementy grzejne i gorące elementy w sil-
nikach spalinowych i systemach wymiany ciepła.

Stopy zawierające aluminidki Fe

3

Al i FeAl wykazują bardzo dobrą odporność

na korozję w atmosferze utleniającej i nasiarczającej oraz środowisku stopionych
soli. Stopy zawierające aluminidki żelaza cechuje niższy wskaźnik korozji od naj-
lepszych znanych stopów żelaza odpornych na korozję, w tym także z warstwami
ochronnymi, nawet o 2 rzędy wielkości w przypadku atmosfery nasiarczonej
w 800°C. Kombinacja niskich kosztów materiałowych i gęstości z odpowiednią cią-
gliwością i technologicznością, czyni stopy na bazie krzemków żelaza bardzo atrak-
cyjnymi konstrukcyjnymi materiałami do pracy w środowiskach korozyjnych. Ze
względu na najwyższą odporność na korozję aluminidków i krzemków, stopy te od-
grywają ważną rolę jako nowa generacja materiałów odpornych na korozję.

Intermetaliki zawierające nadstruktury znalazły dotychczas wiele zastosowań

konstrukcyjnych. Dwukrzemek molibdenu MoSi

2

od 1956 roku jest stosowany na

elektryczne elementy grzejne w wysokotemperaturowych piecach do obróbki ciepl-
nej. Stop zawierający Fe

3

(Si,Al), znany jako sendust, ze względu na swe własności

magnetyczne jest stosowany jako materiał magnetyczny (porównaj rozdz. 8.5.6).

7. Metale nieżelazne i ich stopy

806

7 roz 8-11-02 18:30 Page 806

Nitinol oparty na nadstrukturze NiTi jest najpowszechniej stosowanym materia-
łem z pamięcią kształtu (porównaj rozdz. 7.3.11). Rozwijane są obecnie stopy z pa-
mięcią kształtu oparte na intermetalikach do zastosowania w temperaturze wyższej
od 70°C. Do grupy tych materiałów należą także stopy Sa–Co (samar–kobalt) na
magnesy trwałe, a także stopy nadprzewodzące na bazie niobu (porównaj rozdz.
8.5.5). Nadal trwają prace nad rozwojem tej obszernej i atrakcyjnej grupy materia-
łów inżynierskich i ich nowoczesnymi zastosowaniami praktycznymi.

7.3.11. Stopy metali nieżelaznych z pamięcią

kształtu

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA STOPÓW Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU

Specjalną grupę metali nieżelaznych stanowią stopy z pamięcią kształtu (tabl.

7.67). Stopy te są nową jakościowo grupą materiałów, rozwijającą się od roku 1962,
kiedy to W.J. Buehler odkrył zjawisko w stopie Ni–Ti. Szczególne własności tych
stopów związane są z odwracalną przemianą martenzytyczną (rys. 7.50). Odwracal-
na przemiana martenzytyczna polega na powtórnej przemianie martenzytu w fazę
macierzystą (austenit) podczas nagrzewania. Przemiana ta rozpoczyna się w tem-
peraturze A

s

(austenite start) i kończy w temperaturze A

f

(austenite finish). Przemia-

na martenzytyczna nie dotyczy tylko stali (porównaj rozdz. 4.7.2) i stopów Cu–Al
(porównaj rozdz. 7.2.6), lecz ma charakter bardziej powszechny i występuje w wie-
lu stopach metali, niektórych materiałach ceramicznych, a nawet w komórkach ży-
wych organizmów. Spontaniczna i nieodwracalna przemiana martenzytyczna wy-
stępująca w stalach jest tylko jedną z jej odmian.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

807

Tablica 7.67

Przykłady stopów wykazujących efekt pamięci kształtu (według K. Shimizu i T. Tadaki)

Stop

Stężenie atomowe

składnika stopowego

1)

, %

Zakres temperatury przemiany, T, °C

(według rys. 7.50)

Zakres przemiany,

∆

T, °C

(według rys. 7.50)

Ag-Cd

Cd: 44÷49

–190÷–50

∼

15

Au-Cd

Cd: 46,5÷50

30÷100

∼

15

Cu-Al-Ni

Al: 14÷14,5, Ni: 3÷4,5

–140÷100

∼

35

Cu-Sn

Sn:

∼

15

–120÷30

–

Cu-Zn

Zn: 38,5÷41,5

–180÷–10

∼

10

Cu-Zn-X (X = Si, Sn, Al)

Zn: 38,5÷41,5, X: kilka

–180÷200

∼

10

In-Ti

Ti: 18÷23

60÷100

∼

4

Ni-Al

Al: 36÷38

–180÷100

∼

10

Ni-Ti (nitinol)

Ni: 49÷51

–50÷110

∼

30

Fe-Pt

Pt:

∼

25

∼

–130

∼

4

Mn-Cu

Cu: 5÷35

–250÷180

∼

25

Fe-Mn-Si

Mn: 32, Si: 6

–200÷150

∼

100

1)

Efekt pamięci kształtu w większości stopów przy stężeniu elektronowym e/a = 1,5 (porównaj rozdz. 3.3.4).

7 roz 8-11-02 18:30 Page 807

MECHANIZMY STRUKTURALNE DECYDUJĄCE O PAMIĘCI KSZTAŁTU

O zjawisku pamięci kształtu decydują następujące mechanizmy:
jednokierunkowy efekt pamięci kształtu,
pseudosprężystość,
dwukierunkowy efekt pamięci kształtu.

JEDNOKIERUNKOWY EFEKT PAMIĘCI KSZTAŁTU

W zależności od stanu początkowego, jednokierunkowy efekt pamięci kształtu

polega na:

przemianie martenzytycznej fazy macierzystej w przedmiocie o wymaganym
kształcie, wywołanej przez odkształcenie; po następnym nagrzaniu do tempera-
tury charakterystycznej, martenzyt ulega odwrotnej przemianie w fazę macie-
rzystą według reakcji:

odkształcenie

faza macierzysta

faza martenzytyczna;

(7.1)

nagrzewanie

7. Metale nieżelazne i ich stopy

808

Rysunek 7.50

Typowa krzywa przemiany w funkcji temperatury dla próbek ze stopu z pamięcią kształtu pod stałym
obciążeniem, pod wpływem chłodzenia i nagrzewania; T – zakres temperatury przemiany,

∆

T – zakres przemiany, M

s

, M

f

– odpowiednio temperatura początku i końca przemiany martenzytycznej,

A

s

, A

f

– odpowiednio temperatura początku i końca powstania austenitu

7 roz 8-11-02 18:30 Page 808

po przebiegu tej reakcji przedmiot powraca do swego pierwotnego kształtu;
zmianach struktury martenzytycznej, występującej w zahartowanym przedmio-
cie o wymaganym kształcie, w wyniku odkształcenia i usuwanych następnie
podczas nagrzewania, w wyniku czego struktura powraca do stanu początkowe-
go, a podczas dalszego nagrzewania przemienia się w fazę macierzystą, zaś
przedmiot powraca do pierwotnego kształtu zgodnie z sekwencją reakcji:

hartowanie

odkształcenie

faza macierzysta

martenzyt

martenzyt odkształcony.

(7.2)

nagrzewanie

nagrzewanie

PSEUDOSPRĘŻYSTOŚĆ

Zjawisko pseudosprężystości jest związane z odwracalną przemianą martenzy-

tyczną pod wpływem naprężenia zewnętrznego. W wyniku utworzenia martenzy-
tu w temperaturze wyższej od A

f

następuje sprężyste odkształcenie przedmiotu

o kilka do kilkunastu procent, całkowicie zanikające po odciążeniu. W takim przy-
padku powrót do pierwotnego kształtu następuje podczas nagrzewania, a w czasie
chłodzenia nie występuje zmiana kształtu, a zatem zapamiętywany jest wyłącznie
kształt wysokotemperaturowej fazy macierzystej. Schematycznie przedstawiono
to na rysunku 7.51 na przykładzie monokryształu. Monokryształ fazy macierzy-
stej (rys. 7.51a) po ochłodzeniu do temperatury niższej od M

f

ulega przemianie

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

809

a)

b)

c)

d)

e)

Rysunek 7.51

Schemat przemian strukturalnych w monokrysztale stopu metali z pamięcią kształtu a) i e) faza rodzima,
b)

÷

d) faza martenzytyczna (opracowano według K. Otsuka i K. Shimizu)

7 roz 8-11-02 18:30 Page 809

w martenzyt o dwóch orientacjach krystalograficznych (rys. 7.51b). Uzyskanie ta-
kiej struktury powoduje obniżenie energii odkształcenia. Naprężenie zewnętrzne
przyłożone następnie powoduje przesunięcie granic między różnie zorientowany-
mi listwami martenzytu (następuje rozrost listew o jednej orientacji kosztem pozo-
stałych) (rys. 7.51c,d). Następne nagrzanie przedmiotu do temperatury wyższej od
A

f

powoduje przemianę pozostałych listew martenzytu o obydwóch orientacjach

w fazę macierzystą o orientacji początkowej (rys. 7.51e). W wyniku tego następuje
powrót kształtu przedmiotu do stanu wyjściowego.

DWUKIERUNKOWY EFEKT PAMIĘCI KSZTAŁTU

Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu stopu polega na zachowywaniu pamię-

ci kształtu zarówno wysokotemperaturowej fazy macierzystej jak i niskotemperatu-
rowej fazy martenzytycznej. W wyniku dwukierunkowego efektu pamięci kształtu,
w zakresie temperatury M

f

÷

A

f

, cyklicznie przebiegają przemiany wywołujące od-

wracalne zmiany kształtu przedmiotu, bez udziału zewnętrznego naprężenia. Po-
nieważ przemiana martenzytyczna powoduje zwykle utworzenie podczas chłodze-
nia listew martenzytu o różnej orientacji, oprócz zmiany objętości przeważnie nie
następuje makroskopowa zmiana kształtu. Uprzywilejowana orientacja zarodków
martenzytu wpływa na ograniczenie wariantów orientacji listew powodując anizo-
tropowe, makroskopowe zmiany kształtu. Przemiany powodujące zmiany kształtu
mogą być powtarzane cyklicznie przez chłodzenie i nagrzewanie pod warunkiem,
że podczas odwracalnej przemiany w fazę macierzystą, lub w wyniku wysokotem-
peraturowego wyżarzania, nie nastąpi usunięcie zarodków martenzytu.

ZASTOSOWANIE STOPÓW METALI Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU

W BUDOWIE MASZYN I URZĄDZEŃ

Efekt pamięci kształtu przedstawiono na przykładzie anteny półkolistej wyko-

nanej z drutu ze stopu nitinol (rys. 7.52). Antenę wykonaną w temperaturze niż-
szej od M

f

= 52°C zgnieciono w kulę o średnicy ok. 50 mm, a następnie nagrzano

do temperatury wyższej od A

f

= 77°C. Antena wówczas powróciła do kształtu po-

czątkowego.

Wykorzystanie stopów metali z pamięcią kształtu w budowie różnych maszyn

i urządzeń umożliwia wprowadzenie nowych zasad konstrukcyjnych. W wyniku te-
go możliwe jest znaczne uproszczenie konstrukcji i miniaturyzacja produktów oraz
obniżenie kosztów ich wytwarzania. Wiele z tych stopów znalazło praktyczne zasto-
sowanie w wielkoseryjnej produkcji przemysłowej. Wśród licznych technicznych
zastosowań stopów metali z pamięcią kształtu można wymienić: trwałe połączenia
mechaniczne i elektryczne, temperaturowe zawory bezpieczeństwa w sieci gazowni-
czej, czujniki przeciwpożarowe, zabezpieczenia przed spaleniem elektrycznego
sprzętu gospodarstwa domowego, systemy regulacyjne w grzejnikach wodnych, sys-
temy regulacji dopływu paliwa i powietrza do gaźnika w silnikach samochodowych,
ekrany wentylatorów, automatyczne systemy otwierania okien w szklarniach, ele-
menty siłowe w wyłącznikach obwodów elektrycznych, układy tłumiące drgania i ha-
łas, druty pseudosprężyste jako wypełniacze kompozytów w butlach ciśnieniowych,
oprawki okularów, elementy magazynujące energię, silniki cieplne oraz elementy ro-
botów. Stopy metali z pamięcią kształtu mogą także zastępować termobimetale.

7. Metale nieżelazne i ich stopy

810

7 roz 8-11-02 18:30 Page 810

ZASTOSOWANIE STOPÓW METALI Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU W MEDYCYNIE

Niektóre spośród dostępnych stopów metali z pamięcią kształtu znalazły zasto-

sowanie w medycynie (porównaj rozdz. 8.6). Stopy Fe–Cr–Ni stosowane są na im-
planty w chirurgii i ortopedii przeznaczone do implantacji przez krótki czas, nato-
miast stopy Ti–Al – przeznaczone są na implanty długookresowe. Stosowanie im-
plantów ze stopów metali z pamięcią kształtu wymaga odpowiedniego doboru spo-
sobu ich nagrzewania do temperatury odwrotnej przemiany. Można tak dobrać
skład stopu, by przemiana i związane z tym odzyskanie kształtu następowały
w temperaturze ciała pacjenta. Chirurg nie ma wówczas możliwości ingerowania
w ustalanie kształtu końcowego implantu, gdy przy zastosowaniu implantów o tem-
peraturze przemiany wyższej od ciała ludzkiego i przy stopniowym doprowadzaniu
ciepła z zewnątrz przy użyciu sondy kontaktowej lub metodą oporową można re-
gulować stopień odzyskiwania pierwotnego kształtu implantu. Ze znanych dotych-
czas innych zastosowań stopów z pamięcią kształtu w medycynie można wymienić:
klamry do osteosyntezy i leczenia złamań żeber, płytki do osteosyntezy, np. szczę-
ki, druty łukowe w ortodoncji, gwoździe kostne, pręty Harringtona i tulejki dystan-
sowe w leczeniu schorzeń kręgosłupa, zaciski do tętniaków oraz filtry skrzepów
krwi. Implanty ze stopów z pamięcią kształtu umożliwiają usprawnienie i uprosz-
czenie wielu operacji, a także dają możliwość wprowadzenia nowych technik

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

811

Rysunek 7.52

Schemat zmian kształtu anteny stanowiącej fragment czaszy kulistej z drutu ze stopu Ni–Ti (nitinol) podczas
chłodzenia i następnego nagrzewania (opracowano według K. Otsuka i K. Shimizu)

7 roz 8-11-02 18:30 Page 811

operacyjnych. Wprowadzenie stopów metali z pamięcią kształtu wpłynęło także na
podniesienie poziomu technicznego aparatury medycznej. Przykładami mogą być
zmiany konstrukcyjne sztucznego serca lub miniaturyzacja pomp do dializy.

7.3.12. Stopy o strukturze szkieł metalicznych

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNYCH SZKIEŁ METALICZNYCH *

)

Ciekłe stopy, zwykle o składzie zbliżonym do eutektycznego, silnie przechło-

dzone ze stanu ciekłego z szybkością 10

4

do 10

6

K/s, przechodzą ze stanu ciekłe-

go w stan stały amorficzny (porównaj rozdz. 3.2.9). Strukturę amorficzną przy za-
stosowaniu trudno osiągalnych szybkości chłodzenia 10

10

K/s prawdopodobnie

także mogą uzyskać czyste metale. Temperatura zeszklenia szkieł metalicznych wy-
nosi T

g

= (0,3÷0,5)T

t

(tabl. 7.68), a krzywe CTP czas–temperatura–przemiana

otrzymywania szkieł metalicznych przedstawiono na rysunku 7.53.

Zeszkleniu łatwo ulegają stopy zawierające składniki niemetaliczne, np. Si, B,

P, dla których układy równowagi fazowej przykładowo zestawiono na rysunkach
7.54÷7.57. W tablicy 7.68 przedstawiono przykładowo wybrane szkła metaliczne.

7. Metale nieżelazne i ich stopy

812

*)

Skład chemiczny szkieł metalicznych w znaku stopu określa się podając w indeksie stężenie
atomowe danego pierwiastka w procentach, np. A

x

B

y

C

z

, gdzie A, B, C oznaczają odpowied-

nio pierwiastki chemiczne, x, y, z – stężenie atomowe pierwiastków, przy czym x + y + z = 100.

Rysunek 7.53

Schemat wykresu: czas–temperatura–przemiana zeszklenia stopów metali; T

t

– temperatura topnienia,

T

g

– temperatura zeszklenia,

η

– lepkość

7 roz 8-11-02 18:30 Page 812

Materiały amorficzne są wytwarzane metodami odparowania metali i kondensacji
ich par na chłodnym podłożu, rozpylania w wyniku bombardowania metali atoma-
mi gazu szlachetnego o dużej energii, osadzania na podłożu w wyniku zachodzą-
cych reakcji chemicznych i elektrolizy roztworów wodnych, osadzania elektroche-
micznego oraz szybkiego oziębiania stopów ze stanu ciekłego do temperatury niż-
szej od T

g

. Znaczenie techniczne mają metody ciągłego odlewania strugi roztworu

ciekłego między obracające się walce lub na powierzchnię wirującego bębna z bla-
chy miedzianej, chłodzonego wodą od wewnątrz.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

813

Tablica 7.68

Niektóre stopy metaliczne ulegające zeszkleniu (według danych P.G. Zielińskiego i H. Matyji oraz W.L. Johnsona)

Stop

Temperatura

zeszklenia

T

g

, K

Stosunek temperatury eutektyki do

temperatury topnienia głównego

pierwiastka stopowego T

E

/T

A

t

Temperatura

krystalizacji

T

x

, K

Au

55

Pb

22,5

Sb

22,5

312,9

–

337,3

Au

81

Si

19

292

0,48

320

Cu

60

Cd

40

–

0,6

–

Cu

60

Zr

40

740

0,85 (0,55)

–

Fe

80

B

20

>713

0,79

713

Fe

80

P

13

C

7

705

–

730

Fe

83

P

17

–

0,73

–

La

80

Au

20

–

0,7

–

Mg

70

Zn

30

–

0,67

–

Ni

60

Nb

40

–

0,84 (0,53)

–

Ni

80

P

20

620

0,67

640

Pd

80

P

20

610

–

630

Pd

77,5

Cu

6

Si

16,5

645

–

–

Pd

83

Si

17

632

0,57

–

Pt

80

P

20

485

0,42

–

Pt

66

Sb

34

–

0,44

–

Ta

80

Si

10

B

10

–

–

1225

W

40

Re

40

B

20

–

–

1300

Zr

50

Cu

50

705

–

730

Zr

35

Cu

65

781

–

815

Zr

72

Ni

28

642

–

671

Zr

60

Ni

40

713

–

751

Zr

36

Ni

64

834

–

864

Zr

70

Pd

30

680

0,61

–

Zr

80

Rh

20

–

0,63

–

7 roz 8-11-02 18:30 Page 813

7. Metale nieżelazne i ich stopy

814

Rysunek 7.55

Wykres równowagi Nb–Ni
(według J. Adamczyka)

Rysunek 7.54

Wykres równowagi Be–Ti
(według J. Adamczyka)

7 roz 8-11-02 18:30 Page 814

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

815

Rysunek 7.56

Wykres równowagi Fe–B
(według J. Adamczyka)

Rysunek 7.57

Wykres równowagi Pd–Si
(według J. Adamczyka)

7 roz 8-11-02 18:30 Page 815

WŁASNOŚCI SZKIEŁ METALICZNYCH

Szkła metaliczne mają unikalne własności fizyczne i mechaniczne, nieosiągal-

ne przez stopy krystaliczne o tym samym składzie chemicznym. Wygrzewanie
szkieł metalicznych w temperaturze niższej od T

g

wywołuje procesy relaksacyjne

aktywowane cieplnie, prowadzące do niewielkich zmian rozmieszczenia atomów,
a w temperaturze T

x

– wyższej od T

g

– powoduje krystalizację metastabilnych faz

krystalicznych. Procesy te są wykorzystywane do polepszenia własności fizycz-
nych, zwłaszcza magnetycznych, przez obróbkę cieplną szkieł ferromagnetycznych
w polu magnetycznym (porównaj rozdz. 8.5.6). Szkła metaliczne mają mniejsze
przewodnictwo elektryczne od stopów krystalicznych o tym samym składzie che-
micznym oraz często ujemną wartość współczynnika temperaturowego rezystyw-
ności, dzięki czemu mogą być stosowane do budowy termometrów oporowych do
pomiaru niskiej temperatury. Niektóre szkła metaliczne w temperaturze niższej od
ok. 7 K wykazują nadprzewodnictwo (porównaj rozdz. 8.5.5).

Duże znaczenie mają własności magnetyczne szkieł metalicznych. Szkła meta-

liczne ze stopów metali ferromagnetycznych Fe, Co i Ni o stężeniu atomowym ok.
20% niemetali B, C, P, Si, Ge lub metali przejściowych Hf i Zr, wykazują zmniej-
szony wypadkowy moment magnetyczny w stosunku do Fe, Ni i Co.

7. Metale nieżelazne i ich stopy

816

Tablica 7.69

Własności mechaniczne niektórych szkieł metalicznych (według P.G. Zielińskiego i H. Matyji)

Stop

Twardość

H, MPa

Granica

plastyczności

R

e

, MPa

Stosunek twardości

do granicy

plastyczności H/R

e

Moduł sprężystości

wzdłużnej E,

GPa

Stosunek modułu

sprężystości

do twardości E/H

Gęstość,

g/cm

3

Pd

77,5

Cu

6

Si

16,5

4900

1440 (rozciąganie)

1540 (ściskanie)

3,4

3,18

88

18

10,3

Pd

40

Ni

40

P

20

5300

–

–

98

18,5

9,48

Ni

80

P

20

5980

–

–

113,8

19

7,9

Fe

80

P

15

C

5

7360

1960

3,76

121,6

16,5

–

Ni

40

Fe

40

P B

6

14

7360

–

–

124,5

16,9

7,51

Fe

80

P

20

7400

–

–

130,4

17,6

7,1

Ni

49

Fe

29

P

14

B

6

Si

2

7750

2380

3,26

132,4

17,1

7,65

Fe

80

P

16

C

3

B

1

8190

2440

3,36

135,3

16,5

7,3

Ni

36

Fe

32

Cr

14

P

12

B

6

8630

2730

3,16

141,2

16,4

7,46

Fe

80

B

20

10790

3630

2,97

165,7

15,4

7,4

Mg

70

Zn

30

2160

690

3,13

–

–

–

Cu

50

Zr

50

5690

–

–

83,5

14,7

7,33

Cu

84

Zr

36

5890

–

–

90

15,3

7,54

Cu

60

Ti

40

6720

–

–

105,9

15,8

6,69

Be

40

Ti

50

Zr

10

7160

–

–

104,9

14,7

4,13

7 roz 8-11-02 18:30 Page 816

Szkła metaliczne są bardzo dobrymi materiałami magnetycznie miękkimi

o prostokątnej pętli histerezy magnetycznej i cechują się małą anizotropią magne-
tyczną i magnetostrykcją. Własności mechaniczne i magnetyczne wybranych szkieł
metalicznych zestawiono w tablicach 7.69÷7.71.

7.3. Inne metale nieżelazne i ich stopy

817

Tablica 7.70

Własności magnetyczne niektórych szkieł metalicznych (według P.G. Zielińskiego i H. Matyji)

Stop

Maksymalna

przenikalność
magnetyczna

µ

maks.

(

⋅

10

3

)

Koercja

H , A/m

Indukcja

magnetyczna

szczątkowa

(remanencja)

B

r

, T

Współczynnik

prosto-

kątności

1)

S = B /B

Magneto-

strykcja

λ

s

s

(

⋅

10

-6

)

Tempe-

ratura

Curie

T

C

, K

Rezys-

tywność

ρ

,

µΩ⋅

m

Twardość

H, MPa

Fe

80

B

20

102

6,37÷9,55

0,7÷0,8

0,44÷0,5

30

648

1,3

10780

Fe

80

B

20

2)

320

3,18

1,23

–

–

–

–

–

Fe

45

Co

35

P

13

C

7

40

15,12

0,54

0,51

20,4

713

2,7

9600

Fe

80

P

13

C

7

130

6,37

0,6

0,42

19,1

583

1,35

7550

Fe

40

Ni

40

P

14

B

6

65

3,98

0,35

0,44

11

798

–

–

Co

74

Fe

6

B

20

280

2,78

0,98

0,83

< 0,4

700

–

–

Co

70

Fe

5

Si

15

B

10

181

1,03

0,23

0,36

–0,1

703

1,34

8920

Co

70

Fe

5

Si

15

B

10

2)

700

0,48

0,42

0,63

–

–

–

–

Co

75

Si

15

B

10

30

2,39

0,2

0,3

–3

673

1,2

9020

Ni

78

Fe

22

(permalloy)

400

0,56

–

0,65

3,5

873

0,6

1270

1)

Stosunek remanencji B

r

do indukcji nasycenia B

s

.

2)

Materiał wyżarzony w polu magnetycznym.

c

r

Tablica 7.71

Własności magnetyczne niektórych szkieł metalicznych (według R. Bulla i H. Warlimonta)

Stop

Indukcja

magnetyczna

nasycenia B

s

, T

Koercja

H

c

, A/m

Przenikalność magnetyczna

(

⋅

10

3

, przy 50 Hz)

Stratność

magnetyczna

P

Fe

, W/kg

Pętla

histerezy

1)

µ

i

µ

maks.

Fe

80

B

20

1,6

3,2

–

320

30

Fe

81

Si

5,5

B

15,5

C

2

–

6÷8

1

50

10

Fe

40

Ni

40

P

14

B

6

0,75

0,6

–

400

–

Fe

40

Ni

38

Mo

4

B

18

0,88

Fe

39

Ni

39

Mo

4

Si

6

B

12

0,78

1÷4

150

200

–

Co

58

Ni

10

Fe

5

(Si,B)

27

0,55

0,8÷1

200

10÷15

2)

Co

66

Fe

4

(Mo,Si,B)

30

–

0,2÷0,4

300

5

1)

Rodzaj pętli histerezy: – prostokątna, – płaska.

2)

Stop bezpośrednio po odlewaniu.

100

7 roz 8-11-02 18:30 Page 817

7. Metale nieżelazne i ich stopy

818

818

Struktura
1) węglików spiekanych AC2000 firmy

Sumitomo, pow. 1000x;

2) przełomu węglików spiekanych AC2000

firmy Sumitomo, pow. 10000x, mikroskop
skaningowy;

3) cienkiej folii z węglików spiekanych 890

firmy SECO, pow. 64000x;

4) cienkiej folii z cermetalu narzędziowego

T130A firmy Sumitomo, pow. 64000x;

5) materiału ceramicznego o osnowie Al

2

O

3

(ciemniejsze) i TiO

2

(jaśniejsze), pow. 640x;

6) warstwowa materiału ceramicznego

Ti

3

SiC

2

o charakterze samosmarującym,

pow. 1000x;

7) granicy ziarn Si

3

N

4

i SiC w cienkiej folii,

pow. 3600000x, wysokorozdzielczy
mikroskop elektronowy transmisyjny;

8) płytki spiekanej z polikrystalicznego

diamentu, pow. 160x

1

2

3

4

5

6

7

8

Cermetale i ceramika inżynierska

7 roz 8-11-02 18:30 Page 818