1 XII 2011 WYKŁAD MATERIAŁOZNAWSTWO
Roztwory stałe ad.1
Stanowią jednorodną ciecz i jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej
o własnościach typowo metalicznych. Metal którego atomy są w przewadze nazywany
jest rozpuszczalnikiem, a pozostałe pierwiastki są pierwiastkami rozpuszczonymi. W roztworach
stałych zawsze zostaje zachowana sieć krystaliczna metalu rozpuszczalnika. Jednakże ze względu
na występowanie w stopie pierwiastków rozpuszczonych to sieć krystaliczna rozpuszczalnika ulega
pewnym deformacją. Jest to podstawowa cecha roztworów stałych, która odróżnia je od faz
międzymetalicznych. Poza tym rozwory stałe mają zwykle dobre własności plastyczne, a więc stopy
o takiej strukturze można przerabiać plastycznie na zimno. Roztwory stałe dzielą się na roztwory stałe
graniczne, gdy stężenie pierwiastków rozpuszczonych jest ograniczone do pewnego zakresu stężeń
zakresu składniku stopu i roztwory stałe ciągłe. Gdy występuje nieograniczona rozpuszczalność
składników w stanie stałym w całym zakresie stężenia od 0 do 100 %.
Rys. 1
!!! Wyróżnia się cztery czynniki wpływające na tworzenie się roztworów stałych ciągłych Hume
Rother’y.
1. Czynnik struktury krystalicznej – składniki tworzące roztwór muszą krystalizować w tym
samym typie sieci krystalicznej;
2. Czynnik wielkości atomu – im bardziej są zbliżone co do wielkości średnice atomu tworzące
roztwór tym większa jest ich wzajemna rozpuszczalność;
3. Czynnik elektrochemiczny – im bliżej są położone w układzie okresowym pierwiastków
składniki tworzące roztwór tym bardziej są one podobne pod względem elektrochemicznym
i tym większa jest ich wzajemna rozpuszczalność. Jeżeli natomiast jeden składnik jest bardziej
elektrododatni a drugi bardziej elektroujemny, to mimo spełnienia pozostałych warunków
powstanie faza międzymetaliczna;
4. Czynnik wartościowości względnej – roztwory stałe ciągłe mogą tworzyć jedynie te składniki
które mają taką samą wartościowość
Powyższe czynniki powinny zostać spełnione, aby podczas krzepnięcia w stopie powstał roztwór
stały, aby podczas krzepnięcia w stopie powstał roztwór stały ciągły. W rzeczywistości często zdarza
zdarza się, że pomimo ich spełnienia w stopach powstają roztwór stały graniczny. W zależności
od sposobu rozmieszczenia atomu w sieci krystalicznej rozpuszczalnika roztwory stałe dzielą się:
Roztwory stałe różno węzłowe
o Rys 2
o Rys 3 ekspansja
o Rys 4 kontrakcja
Roztwory stałe międzywęzłowe
o rys 5 – // A jest większe od B
Jest pierwiastkiem którego atomy mają małe średnice:
wodór
Węgiel
bor
azot
Przypadkowe rozmieszczenie atomów w sieci krystalicznej rozpuszczalnika występuje tylko
w roztworach rozcieńczonych, tzn. takich w których jest mało pierwiastka rozpuszczonego, a dużo
rozpuszczalnika. W pozostałych stopach zależności energetyczne pomiędzy atomami powodują,
że następuje porządkowanie się rozmieszczenia atomu. Wtedy energia wewnętrzna stopu jest
najmniejsza. Takie stopy, które charakteryzują się prawidłowym i uporządkowanym rozmieszczeniem
atomu składników w sieci nazywane są nadstrukturami lub nadstopami. Różnią się one
własnościami od stopów nieuporządkowanych. Mają np. znaczne większe przewodnictwo elektryczne
i dlatego stopy o budowie nadstruktur stosowane są na druty linii przesyłowych wysokiego napięcia.
Pod wpływem naprężeń zewnętrznych roztwory stałe mogą umacniać się- wzrastają ich własności
wytrzymałościowe a maleją własności plastyczne. Jest to efektem wzajemnego oddziaływania
na siebie kilku mechanizmów dyslokacyjnych np. blokowanie się ruchów dyslokacji, wzajemne
oddziaływanie na siebie pól naprężeń i dyslokacji lub hamowanie ruchu dyslokacji przez atomy
pierwiastków rozpuszczonych w sieci lub odce cząstki.
ZWIĄZKI CHEMICZNE FAZY MIĘDZYMETALICZNE
W stopach metali poza roztworami stałymi występują także fazy o odrębnej w porównaniu z ich
składem strukturze sieciowej. Należą do nich związki chemiczne i fazy międzymetaliczne.
Związki chemiczne tworzą się pomiędzy metalami o charakterze silnie elektrododatnim, a składnikami
elektroujemnymi, którymi mogą być metale lub niemetale. Wiązania pomiędzy tymi składnikami
są zwykle wiązaniami jonowymi. Skład chemiczny związków chemicznych jest ściśle określony
wartościowością składników, mają one określoną temperaturę topnienia i odrębne własności fizyczne,
chemiczne i mechaniczne: brak plastyczności, duża twardość i kruchość. W stopach rzeczywistych
są to zwykle: siarczki, chlorki, tlenki, itd.
Fazy międzymetaliczne – połączenie metali lub metali z niemetalami i wykazują własności metaliczne
ze względu na całkowity lub częściowy udział wiązania metalicznego pomiędzy atomami.
Cechy charakterystyczne faz międzymetalicznych opisują cztery zasady:
1. struktura krystaliczna faz międzymetalicznych różni się od struktury każdego ze składników;
2. atomy każdego ze składników wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci
krystalicznej;
3. w oddziaływaniach pomiędzy atomami występuje przewaga wiązania metalicznego;
4. wzajemne stosunki ilościowe atomów w składniku rzadko odpowiadają wartościowością
chemicznych pierwiastków jakie wykazują one w związkach chemicznych, chociaż fazom
międzymetalicznym można przypisać wzory podobne do wzorów chemicznych.
Przykładem faz międzymetalicznym są węgliki, azotki i węglikoazotki. Są one twarde, bardzo odporne
na ścieranie i zwykle umacniają strukturę, w której się znajdują. Najtwardszym znanym węglikiem jest
WC – węglik wolframu, który ma twardość między 8 a 9 w skali Mohs’a (max 10).
MIESZANINA FAZ
O mieszaninie faz mówimy wtedy, gdy w stopie znajdują się co najmniej dwie fazy w stanie
rozdrobnienia i oddzielone od siebie granicami międzyfazowymi. Każda faza ma przy tym określone i
właściwe sobie skład chemiczny, strukturę krystaliczną i własności. Mieszaniny faz mają zwykle
lepsze własności wytrzymałościowe i mniejszą plastyczność od tworzących je pojedynczych faz.