plik

DEFEKTY POWIERZCHNIOWE

– granice wąskokątowe

Granica daszkowa:
-

dyslokacyjna struktura wąskokątowej granicy daszkowej o kącie dezorientacji 0.

granica daszkowa „łączy” kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym, równoległym do

granicy.

Granica skręcona(skrętna):
-

„łączy” kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym prostopadłym do granicy;

DEFEKTY POWIERZCHNIOWE -

granice szerokokątowe

Granice szerokokątowe (wysokokątowe) to obszary o grub. kilku odległości międzyatomowych.

Chara

kteryzują się dużym kątem dezorientacji krystalicznej ziaren (powyżej 15⁰).

Budowa tych granic jest bardzo złożona. W ich strefie ułożenie ziaren jest zaburzone.
Granica zawiera dyslokacje oraz wybrzuszenia i występy.
• granica koincydentna (symetryczna) – granica nachylona symetrycznie do określonej
płaszczyzny
krystalograficznej obu kryształów
• granica bliźniacza – charakteryzująca się wysoko symetrycznym ułożeniem atomów, często
objawiającym się
lustrzanym odbiciem kolejnych kryształów.
Granice bliźniacze mają znaczenie w hartowaniu i przeróbce plastycznej na zimno. W
niektórych stopach z pamięcią
kształtu odpowiadają za pojawienie się efektu pamięci kryształu oraz pseudosprężystości.
Bliźniakowanie to jeden z mechanizmów odkształcenia plastycznego. Jest to nagły proces
poślizgu zachodzący
w niewielkim obszarze struktury, ściśle ograniczonym przez granice bliźniacze.

Bliźniakami nazywamy dwa monokryształy zrośnięte ze sobą tak, że sieć jednego z nich można
przekształcić
w sieć drugiego przez przekształcenie symetrii (obrót, odbicie itd.)
Powstają w niektórych metalach podczas:
•odkształcenia plastycznego –dotyczy metali o dowolnej sieci krystalicznej (czynnikami
sprzyjającymi są: duże ziarno,
Niska temperatura, duża szybkość odkształcania);
•rekrystalizacji –dotyczy głównie metali o sieci RSC (Cu, stal austenityczna, mosiądz)
•przemian fazowych.

DEFEKTY POWIERZCHNIOWE

– granice międzyfazowe

granice między ziarnami różnych faz. Dzielimy je na:

•koherentne (na granicy nie ma nieprawidłowości w rozmieszczeniu atomów)
•niekoherentne
•półkoherentne (półsprzężone)

DEFEKTY POWIERZCHNIOWE

– błędy ułożenia

Błędy ułożenia powstają wskutek: -kondensacji wakansów; - zaburzonego wzrostu kryształu; -

odkszt

ałcenia plastycznego

STURKTURA METALI
Niektóre substancje występują w odmianach różniących się budową krystaliczną.
Zjawisko to nazywa się polimorfizmem (wielopostaciowością), a w odniesieniu do pierwiastków
chemicznych

– alotropią.

Odmiany alotropowe

– oznacza się greckimi literami α, β, itd. Umieszczonymi przy symbolu

chemicznym pierwiastka, ,np. Feα.
Dwie odmiany alotropowe posiadają m.in.: żelazo, nikiel, kobalt, tytan, uran.
Chrom, wapń i lit występują w trzech odmianach alotropowych, a mangan – w czterech.
Zasadniczym czynnikiem wywołującym przemiany alotropowe jest temperatura.
Prawie wszystkie pierwiastki metaliczne tworzą kryształy należące do jednej z 3 sieci:
•A1 (RSC) –regularnej ściennie centrowanej ( w sieci A1 krystalizują metale o
najwyraźniejszych cechach metalicznych: srebro, złoto, platyna, aluminium, miedź, nikiel, ołów,
żelazo gamma, kobalt β)
•A2 (RPC) – regularnej przestrzennie centrowanej ( strukturę A2 posiadają np.; wanad,
molibden, wolfram, niob, żelazo α, chrom α, tytan β)
•A3 (HZ)- heksagonalnej zwartej (w sieci A3 krystalizują się m.in.; beryl, magnez, cynk, kadm)
Liczba najbliższych równoległych atomów od danego atomu, tzw. Liczba koordynacyjna lk, jest
w tych sieciach stosunkowo duża, co jest konsekwencją wiązania metalicznego.
W sieci A2 nie ma płaszczyzn zwarcie wypełnionych, są natomiast kierunki o zwartym ułożeniu
atomów <111>, znajdujące się na najgęściej wypełnionych płaszczyznach {110}.
Lk wynosi 8, a współczynnik wypełnienia sieci – 0,68.
W sieci A2 są dwa rodzaje luk:
•Tetraedryczne (a), umieszczone są po 4 na ścianach komórki w połowie odległości między
środkiem krawędzi a środkiem ściany, w których może zmieścić się kula – obcy atom, tzw.
międzywęzłowy, o promieniu r = 0,291R.
•Oktaedryczne umiejscowione są na środkach ścian oraz na śr. krawędzi komórki; mogą
pomieścić kule o promieniu r=0,154R

BUDOWA STOPÓW METALI
Metale pierwiastkowe są stosowane niezwykle rzadko jako materiały konstrukcyjne ze względu
na ich niskie właściwości mechaniczne.
Znaczenie techniczne mają stopy metali, które są układami złożonymi z dwóch lub większej
liczny pierwiastków, w których dominuje wiązanie metaliczne.
Nie oznacza to jednak, że wszystkie składniki stopu muszą być metalami, ponieważ cechy
metaliczne mogą także wykazywać układy złożone z pierwiastków metalicznych i
niemetalicznych takich, jak np. C węgiel, N azot, P fosfor, S siarka.
Stopy występują zwykle w postaci roztworów stałych, fa międzymetalicznych lub ich
mieszaniny.
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- pierwiastki roztwory stałe, fazy międzymetaliczne i międzywęzłowe.

Roztwory stałe:
-

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.
Cechą charakterystyczna roztworów stałych jest zachowanie sieci krystalicznej rozpuszczalnika.
Atomy rozpuszczone zazwyczaj zajmują pozycje przypadkowe w sieci rozpuszczalnika.
W niektórych przypadkach jednak każdy rodzaj atomów zajmuje określoną pozycje w sieci i
takie układy nazywamy nadstrukturami.
Roztwory stałe podlegają szeregu podziałom i klasyfikacjom, m.in.:
- roztwory podstawowe: rozpuszczalnikiem jest pierwiastek
- roztwory wtórne

– rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna

Roztwory stałe:
-

międzywęzłowe – ( atomy składnika rozpuszczonego między węzłami sieci rozpuszczalnika )-

granice, 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)

-graniczne-

ograniczona rozpuszczalność pierwiastka rozpuszczonego, zawsze ma miejsce

ekspansja lub kontrakcja sieci.
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)
UMOCNIENIE ROZTWORÓW STAŁYCH
Mechanizmy umocnienia
Stopy jednofazowe o strukturze roztworów stałych wykazują zwykle wyższe właściwości

wytrzymałościowe niż metale.
Umocnienie poprzez tworzenie się roztworu stałego (obecność pierwiastków rozpuszczonych w
sieci rozpuszczalnika) wiążę 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,
•pokonywanie przez dyslokacje pół naprężeń wokół niedopasowanych atomów pierwiastka
rozpuszczonego (mechanizm Motta-Nabarro)
ruch postępowy dyslokacji zachodzi przez przeskakiwanie odcinka linii dyslokacji L, kilkakrotnie
dłuższego od odległości 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.
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 energie;

• 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;

•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 poszerzenia 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.
•geometryczne blokowanie ruchu dyslokacji – mechanizm Fishera:
-

atomy pierwiastka rozpuszczonego zamiast pozostawać w bezładnym ułożeniu mogą tworzyć

lokalne zgrupowanie tzw. klastry lub mogą układać się regularnie w sieci rozpuszczalnika

tworząc uporządkowanie bliskiego zasięgu, co utrudnia ruch dyslokacji, gdy ruch ten wymaga
zniszczenia klastrów lub uporządkowania bliskiego zasięgu. Co utrudnia ruch dyslokacji, gdy
ruch ten wymaga zniszczenia klastrów lub uporządkowania bliskiego zasięgu.
Zawarte w klas

trach atomy dodatków stopowych hamują ruch dyslokacji w płaszczyźnie

poślizgu i wymuszają ich uginanie.
Umocnienie-

zjawisko wzrostu twardości i wytrzymałości oraz pogorszenie plastyczności jest

wynikiem spiętrzeń dyslokacji przed przeszkodami ( granice ziaren, wydzielenia innych faz.
Krzyżowanie się aktywnych systemów poślizgu, itp.)

FAZY MIĘDZYMETALICZNE
Cechy charakterystyczne:
-

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;
Rodzaje faz międzymetalicznych:
- elektronowe; -Lavesa;

-o strukturze siatek Kagome; -

międzywęzłowe;

FAZY ELEKTRONOWE HUME-

ROTHERY’EGO:

fazy międzymetaliczne tworzące się przy określonych wartościach stężenia elektronowego

(stężenie elektronowe to stosunek liczby elektronów walencyjnych do liczby atomów w jednej
komórce strukturalnej)

Fazy elektronowe występują w stopach, w których jednym ze składników jest pierwiastek z
szeregu Cu, Ag, Au, Mn, Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt,
drugim

– pierwiastek z szeregu Be, Mg, Zn, Cd, Mg, Al., Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb

istnieją w dość szerokich zakresach stężeń składników, co jest związane z ich typowym

wiązaniem metalicznym;
-

nie wywierają istotnego wpływu na właściwości stopów, w których występują;

stwierdzono, że istnieją trzy rodzaje faz elektronowych, oznaczane literami β,γ i ε,

charakteryzujące się stężeniami elektronowymi odpowiednio 3/2, 21/13 i 7/4 (oznaczenia
pochodzą od faz międzymetalicznych występujących w stopach Cu-Zn)
Fazy β (np. CuZn, Cu3Cl, FeAl) krystalizują bądź w sieci regularnej przestrzennie centrowanej
A2, bądź w sieci regularnej złożonej o 20 atomach, bądź tez w sieci heksagonalnej zwartej A3.
Fazy γ krystalizują w sieci regularnej złożonej o 52 atomach
Fazy ε krystalizują w sieci heksagonalnej zwartej A3.

FAZY LAVESA

AB2 A-

odpowiada atomowi większemu B-odp. atomowi mniejszemu

Głównym czynnikiem wpływającym na ich powstanie jest stosunek r atomów składników, tzn
rA/rB. stosunek ten teoretycznie wynosi 1,225

W rzeczywistości fazy Lavesa powstają w zakresie stosunków rA/rB = 1,05 ÷ 1,68. Różnice w
wielkości atomów, tworzących fazę wahają się w zakresie 20-30%. Warunek geometryczny
powoduje, że fazy Lavesa istnieją w wąskim przedziale stężeń składników.
Fazy Lavesa dzielą się na trzy rodzaje zależnie od typu struktury:
- MgCu2
Krystalizuje w sieci regularnej o 24 atomac

h, pozostałe-w sieci heksagonalnej o rożnym

stopniu skomplikowania.
- MgZn2
- MgNi2
W stopach żelaza fazami Lavesa są m.in. ZrFe2, TiFe2, WFe2, NbFe2.
Fazy Lavesa cechuje duża twardość i własności typowe dla stanu metalicznego.
FAZY MIĘDZYWĘZŁOWE
Fazy, w

których węzły sieci obsadzone są atomami jednego z metali przejściowych (żelazo Fe,

chrom Cr, molibden Mo,
mangan Mn, tytan Ti, wolfram W, itd.), a pozycje międzywęzłowe zajęte są przez atomy
pierwiastków niemetalicznych
o małym promieniu atomu (wodór H, bor B, węgiel C, azot N)
Są fazy krystalizujące w sieci A1, A3 i A2 (rzadziej) oraz w sieci heksagonalnej prostej.
O powstaniu faz międzywęzłowych decyduje czynnik wielkości atomów (analogicznie, jak dla
faz Lavesa)
Klasyfikacja w zależności od stosunku promieni atomowych metalu rm i niemetalu rx :  M-atom
metalu X-atom pierwiastka niemetalicznego
• gdy rX/rM ≤ 0,59 –tworzą się fazy międzywęzłowe o struktr. prostych(wzory M4X, M2X, MX,
MX2)
Fazy te występują w układach RSC, RPC, HZ. Wykazują własności metaliczne, są twarde i
kruche, przewodzą prąd elektryczny, mają wysoką temperaturę topnienia i dość dobrą
odporność chemiczną.
Izomorficzne (ten sam typ sieci krystalicznej) węgliki i azotki w stanie stałym wzajemnie się
rozpuszczają.
•gdy rX/rM > 0,59 - tworzą się fazy o strukturach złożonych, o wzorach M3X, M23X6, M7X3,
M6C, o dużej liczbie atomów w komórce elementarnej (układ rombowy, regularny,
heksagonalny)
Fazy o strukturze złożonej cechuje duża liczba atomów przypadających na jedną komórkę
strukturalną. Fazami złożonymi są węgliki żelaza z magnezem, z wolframem i molibdenem i
większość borków.
Wykazują one słabsze cechy metaliczne mają mniejszą twardość i odporność chemiczną oraz
niższe temperatury topnienia niż fazy proste.

Fazy złożone łatwo rozpuszczają się w roztworach stałych, łatwiej przechodzą do roztworu
stałego podczas ogrzewania stali.
Węgliki i azotki mają bardzo duże znaczenie praktyczne. Polepszają one twardość i odporność
na

ścieranie stopów żelaza. Ważnym węglikiem jest węglik żelaza Fe3C (cementyt) – składnik

stali węglowych. Ponieważ struktury węglików są izomorficzne (mają jednakową strukturę
krystaliczną) możliwe jest tworzenie się węglików wieloskładnikowych np. (WVCrFe)23C6, a

także zastępowanie atomów węgla atomami azotu, co prowadzi do powstania węgloazotków,
np. Fe4(CN). Często stosowaną metodą polepszania wierzchniej warstwy elementów
konstrukcyjnych jest tworzenie, w wyniku obróbki cieplno-chemicznej, powierzchniowej warstwy
węglików lub azotków.

FAZY SIGMA
Fazy Sigma to fazy międzymetaliczne krystalizujące w sieci tetragonalnej, której komórka
zawiera 30 atomów.
Tworzą się między niektórymi metalami przejściowymi, takim jak Cr-Fe, V-Fe, Mo-Fe, Cr-Co, V-
Co, Cr-Mn, V-Ni, itd.
Powstają w stanie stałym w wyniku powolnego chłodzenia lub wyżarzania.
Występują zwykle w postaci roztworów wtórnych, przy zawartości składników zbliżonej do 50%.
Fazy sigma są twarde i kruche, Największe znaczenie techniczne ma faza Sigma występująca
w stopach żelaza z chromem (stopy odporne na korozje oraz stopy o dużym oporze
elektrycznym), o wzorze FeCr, wydzielająca się w roztworu stałego w temperaturze 815⁰C.

FAZY ZINTLA
Zawierają struktury utworzone z nieszlachetnych metali i klasy metali alkaicznych, ziem
alkaicznych i ziem rzadkich z metalami klasy II (Zn, Cd, Hg, Ga, In, Sn i Pb) i nieraz czasami z
Ag i Al.
Mamy trzy typy struktur

faz Zintla determinowanych przez czynnik wielkości atomów:

struktura typu związku jonowego CsCl

- struktura typu fazy NaTi
-struktura fazy typu AB3

FAZY CuAl2
Bardzo istotna, gdyż występuje w bardzo ważnym technicznie stopie aluminium – miedź. Jest to
r

oztwór wtórny na bazie fazy międzymetalicznej o stężeniu miedzi w temp. 400⁰C w zakresie

53,63

– 52,47%. Komórka elementarna fazy CuAl2, jest tetragonalna. W komórce każdy atom

miedzi ma w sąsiedztwie 4 atomy miedzi. Stosunek promieni atomowych rAl/rCu = 1,2.
FAZY NiAs
Faza międzymetaliczna typu arsenku niklu NiAs ma strukturę heksagonalną zwartą. W komórce
elementarnej zarówno atomy arsenu jak i niklu tworzą własne, przenikające się sieci
heksagonalne, a atomy je tworzące ułożone są warstwami. Liczby koordynacyjne obu
składników wynoszą 6/6.
Struktury arsenku niklu NiAs spotykane są w układach, w których jednym składnikiem jest metal
przejściowy (Cr, Mn, Fe…) a drugim pierwiastek niemetaliczny z grupy IV (s, Se, Te), lub słabo
metaliczny z grupy Va (As, Ab, Bi) oraz Sn.
Są to główne siarczki (Cr, Fe, Co, Ni)S, selenki (Cr, Fe, Co, Ni)S, tellurki (Cr, Mn, Fe, Co, Ni,
Pd, Pb)Te, arsenki (Mn, Fe, Ni)As
I antymonki (Cr, Mn, Fe, Co, Mi, Pd, Pb)Sb

FAZY Wβ
Faza międzymetaliczna typu Wβ ma strukturę regularną wolframu beta. Wzór fazy A3B. atomy

pierwiastka B lokują się w węzłach komórki A2.
Fazy typu wolframu beta mogą być tworzone przez atomy metali przejściowych z grupy IV (Ti,
Zr), Vb (V, Nb, Ta) i Vlb (Cr, Mo) z atomami grup Vlllb (Ni, Co, Ru, Rh, Os, Ir, Pt), lb (Cu, Au), llb
(Hg), llla (Al, Ga), IVa (Si, Ge, Sn), Va(As, Sb).

W stopach dwu-

i wielofazowych, w których tworzą się fazy międzymetaliczne, miękką i

plastyczną osnowę stanowi zwykle roztwór stały o sieci krystalicznej jednego ze składników, a
w nim są rozłożone w określony sposób wydzielenia fazy międzymetalicznej. Każda z faz ma
określone, charakterystyczne własności natomiast własności stopu są wypadkowe, podobnie
jak w mieszaninie kryształów czystych metali. Własności stopu zależą w bardzo dużym stopniu
od wzajemnego usytuowania faz.

Układy Równowagi fazowej
podst. pojęcia
1.układ -

Układ wyodrębniona otoczenia grupa ciał będące przedmiotem badania termodynamice

stopów układa układem określa się zbiór fas jeśli fazy znajdują się w równowadze termodynamicznej
mówimy o układzie równowagi adam jest więc na przykład stop metaliczny w którym badano przemiany
zachodzące podczas jego nagrzewania bądź lenia

2.faza -

faza jednorodna część układu mające jednakowy ilości wości fizyczne jednakowy skład

chemiczny oddzielona od pozostałych części układu pysznie rozdział na której przynajmniej niektóre
makroskopowe właściwości chemiczne i fizyczne program skokowy zmianie fazy określone są zwykle
greckimi literami alfa beta gamma delta epsilon online mig mig stop dwóch metali które nie rozpuszczają
się w sobie w stanie stałym na przykład stop żelaza i ołowiu potrzeb pięciu będzie składa się z dwóch faz
kryształów żelaza i kryształów łowicz stop dwóch metali które w stanie ciekłym rozpuszczają się w sobie
nieograniczenie po stopieniu będzie stanowić jedną fazę ciekły roztwór tych metali wszystko ok i tej samej
substancji tworzące zawiesina uważasz się za jedną fazę mimo istnienia powiesz rozdział ponieważ nie
różnią się między sobą własnościami

3.składnik -

składniki substancje proste i złożone w którym których odpowiednich warunkach mogą

powstać przetrwa z danego układu składnikami mogą być pierwiastki obowiązki chemiczne nie ulegające
przemianom nie możliwa jest zmiana jednego składnika drugi natomiast poszczególne składniki mogą
wchodzić jednej fazy do drugiej związki chemiczne uważa się za składnik jedynie wtedy gdy nie podają się
w rozpatrywanym zakresie temperatu

4.stopnie swobody

Składnik a faza - przykłady

czysty metal w temperaturze topnienia jest układem jednoskładnikowym ale składa się z dwóch faz:
kryształów i cieczy

brąz jest stopem złożonym z dwóch składników miedzi oraz cyny a po stopieniu składa się z jednej fazy
ciekłego roztworu obu składników

stan układu zależy od

temperatury

ciśnienia

składu chemicznego poszczególnych faz

przyczym wielkości te są zmienne

liczba stopni swobody układu to liczba zmiennych czynników niezależnych którą można zmieniać
dowolnie niezależnie od siebie bez spowodowania zmiany liczby faz układu.

stopnie swobody - przykład chemicznie jednorodny gaz doskonały charakteryzują zmienne ciśnienie
temperatura i objętość. Tylko dwie z nich można zmieniać niezależnie ponieważ równanie stanu gazu
doskonałego wiąże je z trzecią zmienną na przykład przy określonych wartościach ciśnienia oraz
temperatury gaz zajmuje ściśle określoną objętość tym samym układ jakim jest gaz doskonały posiada
dwa stopnie swobody

W przypadku czystych metali przebieg przemian podczas analizy termicznej jest prosty w określonych
temperaturach krytycznych obserwujemy jedynie :

-zmiany stanu skupienia lub

- przemiany alotropowe w stanie stałym

Tym zmianom odpowiadają przystanki temperatur na krzywych chłodzenia lub nagrzewania.

W Przypadku stopów metali a więc układów wieloskładnikowych analogiczne zmiany są bardziej
złożone i przedstawia się je w postaci graficznej o tak zwanych wykresach równowagi fazowej

Wykres równowagi fazowej ilustruje całokształt przemian zachodzących w stopach zarówno stanie
ciekłym jaki stałym. W zależność od temperatury i składu chemicznego.

Za pomocą wykresów równowagi można więc ustalić

- jakie przemiany w stopach o określonym składzie chemicznym zachodzą podczas nagrzewania czy
chłodzenia a także jaką strukturę otrzymuje się w skutek tych przemian

-z jakich faz składa się z stop o określonym składzie w określonej temperaturze oraz jaka jest ich liczba

Wykres równowagi żelazo-węgiel

wykresy równowagi są nazywane w ten właśnie sposób ponieważ przedstawiają trwałe stany stopów
odpowiadające w danych warunkach najmniejszemu zapasowi energii swobodnej układu otrzymywane w
praktyce przez .

Przy konstruowaniu i weryfikacji wykresów równowagi wykorzystuje się tak zwaną regułę faz gibbsa
reguła faz gibbsa daje jakościową charakterystyke układów wielofazowych w stanie równowagi pozwala
na ustalenie

-czy przemiany zachodzące stałej temperaturze czy też jakim zakresie temperatur

-ile faz może równocześnie występować w stanie równowagi

Reguła faz gibbsa podaje liczbową zależność pomiędzy

S=n - f + 2

liczbą składników - n

liczbą faz - f

liczbą stopni swobody - S

W danym układzie liczba stopni swobody jest równa liczbie składników niezależnych pomniejszonych o
liczbę fazy powiększonej o 2.

Przy rozważaniu układów metalicznych ciśnienie jest zazwyczaj stałe a poza tym wpływ małych zmian

ciśnienia na przebieg przemian fazowych w metalach jest nieistotny z tego względu ogólna liczba
zmiennych mniejsza się o jedną a reguła faz gibbsa przyjmuje postać. S = n - f +1

Z powyższego wzoru wynika że dla układu niezmiennego S = 0 mamy f = n+1.

Reguła faz gibbsa - na przykładzie czystego metalu czysty metal jest układem jednoskładnikowym n=1
Gdy znajduje się w stanie ciekłym lub stałym, składa się z jednej fazy f=1 ciekłego lub zakrzepniętego
metalu natomiast liczba stopni swobody wynosi 1 (S=1-1+1=1) W momencie krystalizacji współistnieją
dwie fazy. kryształ i ciecz f=2 układ jest niezmienny i nie posiada żadnego stopnia swobody (S=1-2+1=0)

To oznacza że w układzie jednoskładnikowym dwie fazy mogą być w równowadze tylko w ściśle
określonej temperaturze nie może się ona zmieniać ponieważ wskutek jej zmian jedna z faz zniknie i
układ znów będzie posiadał 1 stopień swobody.

W zależności od wzajemnej rozpuszczalności składników stopy dwuskładnikowe może podzielić na

-stopy wykazujące nieograniczoną rozpuszczalność w stanie ciekłym, które w stanie stałym mogą się
charakteryzować nieograniczoną lub ograniczoną rozpuszczalnością albo brakiem rozpuszczalności

-stopy wykazujące ograniczoną rozpuszczalność w stanie ciekłym mogą się charakteryzować ograniczoną
rozpuszczalnością lub brakiem rozpuszczalność

-stopy wykazujące brak rozpuszczalności zarówno w stanie ciekłym jak i w stanie stałym

W stanie stałym stopy mogą mieć

-jednofazową budowę roztworu stałego przy nieograniczonej rozpuszczalności składników

stanie stałym

-dwufazową budowę złożoną z mieszaniny roztworów stałych przy ograniczonej rozpuszczalności
składników stanie stałym

-dwufazową budowe złożona z mieszaniny roztworu stałego i fazy międzymetalicznej.

Właściwości stopów dwufazowy wynikają nie tylko charakter utworu rząd jest lecz także i wzajemnego
ułożenia

Każdemu punktowi na wykresie odpowiada stop o określonym składzie chemicznym znajdującym się w
okresślonej temperaturze żeby odczytać skład chemiczny konkretnego stopu któremu odpowiada
odpowiednie punkt na wykresie należy punkt ten zrzutować pionowo na podstawe wykresu znaczy na
odcinek AB .wszystkie stopy leżące na jednej pionowej lini mają ten sam skład chemiczny wszystkie
stopy znajdujące się na tym samym poziomie znajdują się w tej samej temperaturze

Układy z nieograniczoną rozpuszczalnością - roztwory stałe ciągłe

Wszystkie stopy z tego układu w całym zakresie składu krystalizują się jako roztwór stały.

Górna linia łącząca punkty topnienia pierwiastków składowych a i b zwana jest likwidus a dolna solidus
pomiędzy tymi liniami stop składa się z fazy ciekłej L i stałej alfa zatem jest to stop dwufazowy.
Krystalizacja stopów zachodzi w pewnym zakresie temperatur i zaczyna się na linii likwidus a kończy na
linii solidus.

Ważną cechą krzepnięcia w stopie zjawisko rozdziału składu chemicznego. Skład cieczy zmienia się po
linii likwidus a a skład roztworu po lini solidus. Prowadzi to do segregacji składu w stopie gdy składnik
B ma wyższą temperaturę topnienia niż składnik A Tb>Ta a wcześniej krzepnący materiał -wnętrze
kryształów - mam skład bogatszy w składnik B niż jego zewnętrza cześć.

Układy z perytektyką – w przemianie perytektycznej z dwóch faz, w stałej temperaturze,
powstaje jedna faza (czyli odwrotnie niż w przemianie euetektycznej).
Krzepnięcie stopu 1 rozpoczyna się na linii likwidusu krystalizacją kryształów roztworu α. Po
całkowitym skrzepnięciu stop ma jednofazową budowę roztworu α.
Stop 2 rozpoczyna krzepnięcie krystalizacją roztworu β. Skład chemiczny fazy ciekłej zamienia
się – wraz z obniżeniem temperatury – po linii likwidusu, a skład fazy stałej – po linii solidusu. W
temperaturze perytektycznej osiągają one odpowiednio składy odpowiadające pkt. C i D.
Zachodzi wtedy przemiana perytektyczna.
Z fazy ciekłej o składzie pkt. C i roztworu β o składzie i pkt. D powstaje roztwór stały α o
składzie odpowiadającym punktowi perytektycznemu P.
Poniżej temp. Perytektycznej struktura stopu 2 jest więc dwufazowa, złożona z mieszaniny faz.
Krzepnięcie stopu 3 zaczyna się krystalizacją roztworu β. Następnie zachodzi przemiana
perytektyczna L+β α. Poniżej przemiany perytektycznej stop ma budowę dwufazową α+β.
Stop 4 (podobnie jak stopy 2 i 3) rozpoczyna krzepnięcie na linii likwidusu krystalizacją roztworu
stałego β. Wraz ze zmianami składu chemicznego cieczy i roztworu β z temp. Dochodzimy do
pkt. P, w którym ciecz i roztwór stały mają odpowiednio skład odpowiadający pkt. C i D. z tych
dwóch faz powstaje wtedy roztwór stały α, o składzie chemicznym pkt. P.
Stop poniżej temperatury perytektycznej ma budowę dwufazową α+β.

UKŁADY Z FAZAMI MIĘDZYMETALICZNYMI – dwa składniki, które rozpuszczają się
całkowicie w stanie ciekłym, mogą tworzyć w stanie stałym roztwory graniczne lub fazy
międzymetaliczne.
Zarówno roztwory stałe, jak i fazy międzymetaliczne mogą się tworzyć w trakcie krzepnięcia
cieczy lub w wyniku przemian fazowych w stanie stałym.
Układ równowagi z fazą międzymetaliczną tworzącą się w wyniku przemiany perytektycznej.

Stop 1 jest podeutektyczny i jego krzepnięcie rozpoczyna się od utworzenia kryształów roztworu
stałego α na bazie składnika A. ubożejący w składnik A roztwór ciekły osiąga pkt. Eutektyczny i
krystalizuje, w stałej temperaturze w postaci mieszaniny faz α+AB3. Struktura stopu będzie więc
zbudowana z pierwotnych kryształów roztworu stałego α na tle eutektyki α+AB3.
Stop 2 podlega dwóm przemianom w stałej temperaturze perytektycznej i eutektycznej.
Krzepnięcie rozpoczyna się powstaniem kryształów roztworu stałego β na bazie składnika B.
Pozostały roztwór ciekły ubożeje w składnik B i w temperaturze perytektycznej z roztworu
ciekłego oraz fazy β powstaje faza AB3. Wraz z dalszym obniżaniem temperatury z roztworu
ciekłego krystalizują kryształy fazy AB3. Powoduje to dalsze ubożenie cieczy w składnik B i
przesunięcie jej składu do punktu eutektycznego, gdzie w stałej temperaturze ulega ona
przemianie w mieszaninę α+AB3.

UKŁAD RÓWNOWAGI Z BRAKIEM ROZPUSZCZALNOŚCI - w stanie ciekłym i stałym
odznacza się całkowitym brakiem rozpuszczalności. Stopy takie rzadko wykorzystywane są w
praktyce , gdyż charakteryzują się niekorzystnym zjawiskiem segregacji strefowej. Wyjątek
stanowi stop Cu-

Pb, stosowany na panewki łożysk ślizgowych.

Stopy z przedstawionego układu krystalizują jednakowo w całym zakresie składów.
Krystalizacja rozpoczyna się krzepnięciem ziaren składnika wyżej topliwego, którym w tym
przypadku jest składnik A. Krystalizacja zachodzi w stałej temperaturze przy liczbie swobody
Z=0. Po całkowitym skrystalizowaniu pierwiastka A zaczyna się krzepnięcie składnika B,
również w stałej temp.
UKŁAD Z OGRANICZONĄ ROZPUSZCZALNOŚCIĄ – układ równowagi z brakiem
rozpuszczalności składników w stanie ciekłym, z monoektyką. W stanie ciekłym układ stanowi
mieszaninę dwóch roztworów ciekłych L1 i L2. Roztwór L1 wykazuje maksymalną
rozpuszczalność składnika B odpowiadającą punktowi monotektycznemu M.
W cieczy L2 maksymalna rozpuszczalność składnika A odpowiada punktowi N. Pomiędzy
punktami M i N występuje mieszanina cieczy L1 i L2. Wraz ze wzrostem temperatury, w tym
zakresie skład obu cieczy zmienia się po krzywej MN. Powyżej tej linii występuje jednorodny
roztwór ciekły L obu składników, A i B.
Stop 1 rozpoczyna krzepnięcie cieczy L1 krystalizacją kryształów roztworu składnika B w A. W
zakresie tym Z=1. Wraz z obniżaniem temperatur skład cieczy L1 ubożeje w składnik A i
zmienia

się po linii likwidusu osiągając punkt monotektyczny M. Zachodzi wtedy reakcja L1α+L2

Osobliwością tej reakcji jest przemiana nasyconego roztworu ciekłego, w wyniku której powstaje
faza stała i inny roztwór ciekły. Taki stan dwufazowy utrzymuje się do temperatury
perytektycznej P, w której z cieczy L2 oraz roztworu stałego powstaje, przy Z=0, roztwór
składnika B w A.
Stop 2 krzepnie podobnie jak stop 1. Różnica polega jedynie na braku etapu pierwszego –
krystalizacja roztworu stałego.
Stop 3 rozpoczyna krz

epnięcie krystalizacją roztworu α z cieczy L2. Nie podlega on już reakcji

monotektycznej . W kolejnym etapie zachodzi jedynie, jak poprzednio, przemiana
perytektyczna, w wyniku której powstaje roztwór stały β.
UKŁADY RÓWNOWAGI Z PRZEMIANAMI ALOTROPOWYMI
Przemiana alotropowa

– polega na zmianie typu sieci krystalicznej. Przemiana taka może

zachodzić w stanie stałym lub z udziałem fazy stałej i ciekłej. Przebiega przy udziale przemiany

perytektycznej. Powstająca z cieczy stała faza β, wraz z fazą ciekłą, tworzy roztwór stały α.
Taka wysokotemperaturowa przemiana alotropowa zachodzi w wielu stopach żelaza (Fe-C, Fe-
Co, Fe-Cu, Fe-Ni, Fe-Mn, Fe-Au).
Przemiany alotropowe mogą zachodzić również w wyniku przemian w stanie stałym. Na
rysunku (+) roztwór stały α, w pewnym zakresie składów, podlega przemianie w roztwór γ, by
następnie powrócić powtórnie do struktury roztworu α.
Przemiana taka zachodzi m.in. w stopach Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Mn oraz Co-Ni, Co-Mn.
Roztwór stały γ, który w wysokich temperaturach jest trwały w całym zakresie składów, dla
stopów bogatych w składnik A, w niższych temperaturach, podlega przemianie alotropowej w
roztwór stały α.
Roztwór stały β ulega przemianie alotropowej w roztwór stały α w wyniku przemiany
eutektoidalnej, w przemianie tek roztwór

stały β ulega rozpadowi na roztwór stały α i składnik

B, tworząc mieszaninę faz.
Tego typu przemiana alotropowa zachodzi m.in. w stopach Fe-C, Fe-N, Fe-Cu i Fe-Zn.

TRÓJSKŁADNIKOWE UKŁADY RÓWNOWAGI
Do przedstawienia składu chemicznego stopu potrójnego używamy tzw. Trójkąta składów
Gibbsa stanowi podstawę układu trójskładnikowego, a jego boki zbudowane są z odpowiednich
układów podwójnych.
UKŁAD RÓWNOWAGI FAZOWEJ ŻELAZO - CEMENTYT
Żelazo (Fe) pierwiastek przejściowy (łac. Ferrum) o cechach metalicznych, leżący w VIII grupie
pobocznej układu okresowego. Posiada 25 izotopów z przedziału mas 45-69. Trwałe są izotopy
54, 56, 57 i 58, przy czym najwięcej jest izotopu 56 (92%).
Czyste żelazo jest lśniącym srebrzystym, dość twardym i stosunkowo trudnotopliwym metalem,
który ulega pasywacji.
Domieszka krzemu bądź węgla, związana z procesem otrzymywania metalu z rud żelaza,
zwiększa głębokość i szybkość korozji.
W przyrodzie żelazo występuje głównie w postaci tlenków, węglanów, wodorotlenków i
siarczków jako: magnetyt (Fe3O4), henatyt (Fe2O3), syderyt (FeCO3), limonit (2Fe2O3-3H2O),
piryt (FeS2)
Temperatury charakterystyczne dla żelaza: topnienia (1534^C), wrzenia (3070^C)
Żelazo od wieków jest stosowane w formie stopów z węglem, które zależnie od zawartości
węgla – zwane są odpowiednio żeliwem lub stalą.
Żelazo jest więc metalem o bardzo dużym znaczeniu dla gospodarki.
Odmiany alotropowe: Feα i Feγ
Feα – odmiana alotropowa żelaza charakteryzująca się komórką sieciową A2, regularną
przestrzennie centrowaną (RPC). Żelazo w tej odmianie alotropowej występuje w
temperaturach niższych od 912^C i w temperaturach wyższych od 1394^C, aż do stopnienia w
temperaturze 1538^C.
Feγ – odmiana alotropowa żelaza charakteryzująca się komórka sieciowa A1, regularnie
ściennie centrowana (RSC). Występuje w zakresie temperatur 912-1394^C
Pod wysokim ciśnieniem 10,79 [GPa] tworzy się jeszcze jedna odmiana alotropowa Feε, o sieci
heksagonalnej zwartej HZ.
WĘGIEL – (C) pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 6, należący do grupy 14 układu

okresowego (niemetal)
Węgiel może się rozpuszczać w żelazie, tworząc roztwór stały, może też występować w formie
wolnej

– jako grafit lub związanej – w postaci węglika żelaza Fe3C

Grafit stanowi odmianę alotropową węgla o strukturze heksagonalnej A9, a węglik żelaza jest
fazą międzymetaliczną międzywęzłową o strukturze złożonej rombowej.

Żeliwa – rodzaje, wlasciwosci i sposob oznaczania
Żeliwo jest technicznym stopem zelaza z weglem i innymi pierwiastkami, zawierajacym ponad
2% wegla.
Zeliwa weglowe (niestopowe) zawierajace praktycznie 2,5-4,5%C a takze krzemm mangan
fosfor i siarke.
Zeliwa stopowe zawieraja ponadto inne skladniki stopowe, wprowadzone celowo podczas
procesu metalurgicznego, ktore w sposob decydujacy wplywaja na wlasciwosci uzytkowe tego
zeliwa.
Zeliwo jest stopem kruchym i nie daje sie obrabiac plstucznie ani na zimno ani na goraco
Z uwagi na takie wlasciwosci, jak:
-dobra lejnosc
-niewielka sklonnosc do segregacji
-stosunkowo niska temperatura topnienia
jest powszechnie stosowanym materiálem odlewniczym\co wazne, elemnty wykoanne z zeliwa
sa stosunkowo tanie.
Zeliwo otrzymuje sie przez przetapianie surowki z dodatkami zlomu stalowego lub zeliwnego w
piecach zwanych zeliwniakami
Przyklady zastosowania zeliwa:
premysl motoryzacyjny w tym obudowy skrzyn biegow
piece zeliwne
hydraulika
Podstawowym skladnikiem stopowym ktory decyduje o wlasciwosciach zeliwa jest wegiel.
Moze on wystepowac w zeliwie w formie zwiazanej- jak cementyt Fe3C(uklad metastabilny)lub
w postaci wolnej jako grafi (uklad stabilny)
Grafit POGARSZA wlasnosci wytrzymalosciowe zeliwa oraz powoduje zmiane niektrrych innych
jego wlasnosci, a zwlascza;
działa jako karb wewnetrzny – stanowi nieciaglosc w metalu, zmniejsza skurcz odlewniczy
polepsza skrawalnosc
zwieksza wlasnosci slizgowe
sprzyja tlumieniu drgan
zmniejsza wytrzymalosc zmeczeniowa
Zeliwa krzepna jako mieszaniny eutektyczne.
Stop eutektyczny o zawartosci 4,3% C w temp 1147oC jest mieszaninaaustenitu o zawartosci

2%C i cementytuu pierwotnego (CI-6,67% C) zwana ledeburytem.
W zakresie temp 1147-723oC rozpuszczalnosc wegla w austenicie maleje, a jego nadmiar
wydziela sie w formie cementytu wtornego (C II) W temp 723oC austenitmoze zawierac juz tylko
0,8%C i ulega przemianie eutektoidalnej w mieszaninę ferrytu i cementytu zwana perlitem.
Eutektyka jest wiec w temperaturze otoczenia mieszanina perlitu i cementytu pierwotnego i
nazwana zostala ledeburytem przemienionym.
Zeliwa podeutektyczne o zawartosci wegla 2-

4,3% maja struktuře skladajaca sie z perlitu

ledeburytu przemienienionego oraz cementytu wtornego a zeliwa nadeutektyczne

– strukture

zlozona z cementytu pierwotnego i ledeburytu przemienionego.

W zeliwach wegiel moze wystepowac w roznej postaci.
Na tej podstawie zeliwa niestopowe klasyfikuja sie nastepujaco:
-

zeliwa szare (o szarym przełmie) w ktorych wegiel wystepuje w postaci grafitu,

-zeliwa biale o jasnym przelomie) w ktorych wegiel jest zwiazany w cementycie,
-zeliwa polowiczne (pstre) w ktorych wystepuje zarowno cementyt jak i grafit

Otrzymywana w zeliwach strutura i zwiazane z nia wlasciwosci ni esa jednoznacznie okreslone
skladem chemicznym zeliwa zaleza bowiem rowniez od warunkow w jakich prebiega
krzepniecie i stygniecie zeliwa

Przykladowo, w przypadku zeliw weglowych:
wieksza szybkosc chlodzenia podczas stygnieca oraz wieksza zawartosc manganu sprzyjaja
powstawaniu struktury zeliwa bialego,
mniejsza szybkosc chlodzenia oraz wieksza zawartosc wegla i krzemu sprzyjaja powstawaniu
struktury zeliwa szarego

Siarka w zeliwie sprzyja powstawaniu strutury zeliwa bialego, lecz w wiekszosci spotykanych
zeliw jest ona wiazana przez mangan, z ktorym tworzy juz kapieli cieklej trwale siarczki MnS o
temp 1610oC. Fosfor w zeliwie wystepuje w tak znacznych ilosciach, ze mimo swej czesciowej
rozpuszczalnosci w ferrycie tworzy zwiazek Fe3P.

Z kolei w zeliwach stopowych:
powstawaniu struktury zeliwa bialego sprzyjaja wszytskie pierwiastki weglikotworcze oraz
aluminium w zakresie 12-17%
wydzielaniu wegla w postaci grafitu sprzyjaja dodatki: aluminiumw ilosci do 10% lub powyzej
18%, krzemu, manezu oraz czesciowo niklu i miedzi.

Wolne chlodzenie ulatwia tworzenie grafitu.
Grube scianki (przekroje) zapewniaja wolniejsze chldozenie.
Formy piaskowe zapewniaja wolniejsze chlodzenie, a kokilszybsze co tworszeniu cementytu

ZELIWA BIALE:
Struktura zeliwa bialego jest zgodna z wykresem rownowagi fazowej zelazo-cementyt.

W zaleznosci od zawartosci wegla i wystepujacych w zeliwie weglow dodatkow stopowych
wyroznia sie zeliwa o strukturze:
podeutektycznej,
eutektycznej
nadeutektycznej

Podstawowe skladniki stukturalne zeliw bialych to:
Cementyt pierwotny
Ledeburyt przemieniony
Perlit

Cemetyt pierwotny wystepuje w zeliwach nadeutektycznych w postaci:
bialych ziarn
jasnych igiel
plytek w osnowie ledeburytu przemiem=nionego
Ledeburyt przemieniony wystaepujacy we wszytskich zeliwach bialych ma charakter
dendrytyczny a przy przecieciu zgladu prostopadle do ramion dendrytu perlit wystepuje w
postaci ciemnych kropek.
Charakter dendryczny nadaje strukturze ledburytu cementyt pierwotny
Ledeburyt jest skladnikiem strukturalnym twardym (HB=450) i kruchym oraz trudno skrawalnym.

Perlit wystepuje w zeliwach podeutektycznych oraz ledeburycie przemienionym.
W zeliwach podeutektycznych ma on postac ciemnych obszarow pomiedzy polami ledeburytu.
Przy wiekszych powiekszeniach mozna zaobserwowac plytkowa budowe perlitu.

METALE NIEŻELAZNE I ICH STOPY
-Struktura stopów interpretowana jest na podstawie wykresów równowagi fazowej
-

Specyficzną cechą stopów metali nieżelaznych jest ich duża ilość i zróżnicowane właściwości.

MIEDŹ I JEJ STOPY
-

pierwszy metal szeroko wykorzystywany przez człowieka

-wytapianie miedzi z rud

– miedź nieczysta, ze względu na obecność innych metali

-stop miedzi i cyny -

BRĄZ (większa trwałość niż czysta miedź)

miedź doskonałym przewodnikiem prądu- zastosowanie w elektrotechnice – materiał na

przewody
-

wysoka przewodność cieplna – zastosowanie w przemyśle chemicznym – wymienniki ciepła

duża odporność na korozję zapewniona dzięki niebiesko-zielonemu zasadowemu węglanu i

siarczanu miedzi tzw patyny
-

ze względu na niska wytrzymałość, duża plastyczność (Rw = 200 N/mm2, Re = 50 N/mm2, A

= 35%) wykonywanie z jej stopów (mosiądzów i brązów) o większej wytrzymałości elementów
maszyn i konstrukcji
-

MOSIĄDZE - stopy miedzi z cynkiem, PODTSAWOWYM SKŁADNIKIEM JEST MIEDŹ,

ZAWARTOŚC CYNKU OK. 45%

Mosiądze wieloskładnikowe – oprócz cynku zawierają inne składniki (ok1-4%) poprawiające

określone właściwości np. aluminium i cyna – poprawa odporności na korozję atmosferyczną i
wody morskiej, mangan, krzem i żelazo – poprawa wytrzymałości, ołów – poprawa lejności,
skrawalności właściwości ślizgowych.
-

Struktura mosiądzów – do ok. 38% Zn – roztwór stały α na bazie miedzi (A1) o dobrej

plastyczności i wytrzymałości, powyżej 38% Zn – α + faza β’ –krucha o niskiej wytrzymałości
-

Podział mosiądzów – odlewnicze (zwykle dwufazowe α + β’), do obróbki plastycznej (zwykle

jednofazowe α o mniejszej zawartości Zn i innych dodatków niż odlewnicze)
MOSIADZE ODLEWNICZE:
-

Mosiądz manganowo-żelazowy – Rm = 450-500 N/mm2, A = 15-10% - odporność na ścieranie,

kawitację, korozję – proste i duże odlewy
-

mosiądz manganowo-ołowiowo-żelazowy – Rm = 360-400, A =10-8 – dobra lejność, odporność

na ścieranie i podwyższone temperatury – łożyska, armatura
-

mosiądz krzemowy – Rm = 300-400, A =15, dobra lejność i skrawalność, odporność na

korozję, ścieranie – armatura i części maszyn w przemyśle chemicznym
-

Mosiadze do obróbki plastycznej obrabiane SA na zimno i na gorąca – jednofazowe alfa – na

zimno, przy Zn ok. 36% -

na zimno i na gorąco, mosiadze dwufazowa - na gorąco

Mosiadze ulegają znacznemu umocnieniu przy obróbce na zimno co utrudnia obróbkę. W celu

uplastycznienia materiału stosowane jest międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące.
Wyżarzanie rekrystalizujące może być końcowym etapem procesu kształtowania wyrobu.
-

Mosiądze do obróbki plastycznej – mosiądz dwuskładnikowy (bardzo podatny na obróbkę na

zimno, stosowany na elementy armatury w przemyśle chemicznym), mosiądz ołowiowy (bardzo
dobrze skrawalny o ograniczonej podatności na obróbkę plastyczną na zimno, stosowany na
elementy wykonane techniką skrawania), mosiądz wieloskładnikowy bezołowiowy (bardzo
odporny na korozję, stosowany na rury wymienników ciepła)
BRĄZY – stopy, których podstawowym składnikiem jest brąz, a głównym dodatkami topowymi
są: cyna, aluminium, krzem, beryl, mangan, ołów – ich zawartość jest wieksza od 2%
-

ze względu na zastosowanie brązy dzieli się na brązy odlewnicze i do obróbki plastycznej

BRĄZY CYNOWE – zawierają ok. 5-10% Sn, szeroki zakres krzepnięcia, co wpływa ujemnie

na lejność oraz skłonność do tworzenia jam usadowych i porowatości; dodatki stopowe: Zn
(poprawia wł odlewnicze), P (poprawia właściwości mechaniczne i antykorozyjne), Pb (poprawia
wł antykorozyjne i gęstość); Struktura: roztwór α na bazie Cu (A1) - ok. 8% Sn, α + eutektoid
(a+δ) – powyżej 8%Sn; właściwości mechaniczne:  maksymalne wydłużenie i wytrzymałośc na
rozciąganie brązy cynowe osiągają przy ok. 8%Sn (powyżej 8% wydłużenie stopów jest bliskie
0) PRZYKŁADY:

nazwa  Rm N/mm2

A %

zastosowanie

cynowy

240-310

12-5

Odporny na korozję, ścieranie, działanie niektórych

kwasów, lejność i skrawanie – dobra, stosowany na łożyska, napędy, sprzęt parowy i wodny

Cynowo-fosforowy

220-360

2-6

Lepsza lejność, odporność na scieranie,

skrawalność. Stosowany na wysoko obiciązone łozyska, armature chemiczną.
Cynowo-

ołowiowy

180-230

7-6

Bardzo dobra lejnośc i skrawalność, odporny na

ścieranie. Stosowany na łożyska maszyn pracujących przy dużych naciskach i szybkościach.
Cynowo-cynkowy

240-270

10-7

Bardzo dobre lej

nośc i skrawalność, odporność na

korozję wody morskiej,części maszyn w przemysle okrętowym i papierniczym

Brązy cynowe do obróbki plastycznej – zawierają mniej cyny niż brązy odlewnicze tj do ok.

8%, mają strukturę roztworu α, zgniot powoduje silne umocnienie brązów, W celu
uplastycznienia materiału stosowane jest międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące.
Wyżarzanie rekrystalizujące może być końcowym etapem procesu kształtowania wyrobu.
-

BRĄZY ALUMINIOWE – wykazują dobra odpornośc na korozję w środowisku wody morskiej i

kwasów utleniających, charakteryzują się dużymi własnościami mechanicznymi w temperaturze
pokojowej i podwyższonej oraz wysoką odpornośc na ścieranie; ZASTOSOWANIE: na panewki
łożysk ślizgowych, koła zębate, gniazda zaworów, elementy konstrukcyjne w przemyśle
chemicznym, elementy pracujące w wodzie morskiej
-

BRĄZY BERYLOWE – stosowane na elementy maszyn w wytwórniach materiałów

wybuchowych i prochowniach, na szczotki silników elektrycznych i przewody trakcji
elektrycznych, elektrody i przewody spawalnicze
-

BRĄZY KRZEMOWE – przeznaczone do obróbki plastycznej, stosowane na elementy

aparatury w przemysle maszynowym, chemicznym i chłodniczym, koła cierne i zębate,
elementy przekładni silnikowych
BRĄZY MANGANOWE – o bardzo małej rezystywności jest stosowany na rezystory wzorcowe,
stopy sima (z dodatkiem Si) są stsowane na łopatki turbin
ALUMINIUM I JEGO STOPY
-Aluminium jest metalem lekkim, co decyduje o szerokim zastosowaniu jego stopów w
przemysle lotniczym i transporcie.
-dobre przewodnictwo elektryczne,
-

na powietrzu pokrywa się cienka warstwą tlenku chroniąca przed dalszym utlenianiem

odporne na działanie wody i wielu kwasów, nieodporne na działanie wodorotlenków i kwasów

beztlenowych
-

duża odporność na korozje – wykorzystywany w przemysle spożywczym

plastyczne, niska wytrzymałość

-Stopy aluminium

– podstawowy składnik – aluminium, dodatki: miedź, krzem, mangan,

magnez, cynk
-

Stopy cechuja się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn stosunkiem wytrzymałości do

ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, ich udarnośc nie maleje w miare obniżania
temp, w niskich temp mają większą udarność niż stal
-stopy aluminium odlewnicze

– zazwyczaj głównymi składnikami stopowymi są krzem, miedź i

magnez

, najszersze zastosowanie

– stopy z krzemem – siluminy – w strukturze stopów

duży udział ma eutektyka złożona z krzemu i roztworu α na bazie aluminium, czego wynikiem
jest niska plastyczność.
-Siluminy

– charakteryzują się doskonałymi właściwościami odlewniczymi i małym skurczem,

ją bardzo dobrą odporność na korozję, ich właściwości mechaniczne zależą od postaci

eutektyki,

znak  Rm N/mm2

A %

zastosowanie

AlSi11 160-280

1-6

Odlewy cześci o skompliowanym kształcie, redio obciążone części

dla przemysłu okrętowego

AlSi5Cu2

160-240

Ok. 1

Odlewy głowic cylindrów silnikow spalinowych

AlSi10Mg1CuNi

210-260

Ok. 0

Odlewy tłoków wysokoprężnych silników

benzynowych oraz sprężarek powietrznych i chłodnicowych

AlSi3Cu2Zn2Mg

160

Ok. 1

Okucia budowalne, klamki, uchwyty, osprzęt wagonów

kolejoiwych

-STOPY ALUMINIUM DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

– to przede wszystkim stopy z

magnezem, manganem, miedzią, cynkiem oraz dodatkami innych pierwiastków. Stopy
przerabia się na zimno lub na gorąco. Stopy te dzieli się na: nieutwardzane wydzieleniowo
(AlMn, AlMg, AlMnMg) o strukturze roztworu α na bazie aluminium, w których wzrost
wytrzymałości uzyskuje się przez odkształcenie plastyczne ORAZ utwardzane wydzieleniowo –
(AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg) o strukturze złozonej z roztworu α na bazie aluminium i faz
miedzymetalicznych, polepszenie właściwości tych stopów uzyskuje się przez obróbkę cieplną
złożoną z przesycania i starzenia
- STOPY ALUMINIUM DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ NIEUTWARDZONE WYDZIELNIOWO

–

AlMg4,5Mn (hydronalium)

– odporny na korozję, spawalny, dostarczany w postaci blach, rur,

prętów, drutów, pręt ciągniony w stanie twardym wykazuje Rm=300MPa i A = 9%, stosowany
na średnio obciążone elementy konstrukcji okrętowych, nadbudówki statków, urządzenia
przemyslu chemicznego
- STOPY ALUMINIUM DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ UTWARDZONE WYDZIELNIOWO

–

AlCu4Mg0,5(duraluminium)

– stop konstrukcyjny o dobrych właściwościach mechanicznych i

przeciwkorozyjnych, utwardzany przez przesycanie i starzenie w temperaturze pokojowej,
dostarczany jest w postaci blach, odkuwe

k, prętów i kształtowników, po przesyceniu zgniocie i

starzeniu: Rm = 450MPa, A = 20%, stosowany na znacznie obciążone elementy konstrukcji
lotniczych
KOLEJNOŚC OPERACJI OBRÓBKI PLASTYCZNEJ I CIEPLNEJ: 1. PRZESYCANIE
2.OBRÓBKA PLASTYCZNA NA ZIMNO 3.STARZENIE (NATURALNE LUB SZTUCZNE)
OBRÓBKA PLASTYCZNA METALI

– ma na celu zmianę własności i kształtu materiału w

wyniku odkształcenia plastycznego na gorąco lub zimno. Pod działaniem sił zewn metale
ulegają odkszt. Zdolnośc metali do zmiany kształtu pod wpływem sił zewnętrznych jest
wykorzystywane w przemysle do wytwarzania z wlewków róznego rodzaju półfabrykatów jak
pręty, blachy, kształtowniki, rury. Półfabrykaty przerabia się nastepnie na gotowe produkty np.
śruby, druty, gwoździe, naczynia blaszane.
Do najb

ardziej charakterystycznych cech procesów obróbki plastycznej należą:

Duza wartość naprężeń koniecznych do kształtowania wyrobów – naprężenia osiągają wartość

od 50 do 2500MPa w zależności od rodzaju procesu i gatunku kształtowanego materiału.
-

Mozliwość całkowitego przeformowania materiału – duże wartości odkształcen - wymaga to

stosowania urządzen pozwalających uzyskac duża wartość nacisków zatem maszyn
wielkogabarytowych, ciężkich i drogich.
-Zastosowanie procesów tylko do produkcji wielkoseryjnej z

e względu an duży koszt maszyn i

rządzeń do obróbki plastycznej.
Zalety obróbki: duża wydajność (krótki czas wytwarzania) wysoka dokładność, dobre
właściwości mechaniczne wykonanych części
-

Obróbka plastyczne korzystnie wpływa na rozkład włókien w kształtowanym przedmiocie

powodując poprawę własności mechanicznych
-

Jeżeli naprężenia wywołane działaniem sił zewnętrznych nie przekraczają pewnej wartości

zwanej granicą plastyczności, to odkształcenie nazywa się sprężystym. Odkształcenie takie nie
jest trwa

łe. Przekroczenie granicy plastyczności powoduje pojawienie się w materiale oprócz

odkstzałcen sprężystych również i odkstzałcen trwałych (plastycznych)
-

Wyroby wykonywane z obróbką plastyczną: części pojazdów mechanicznych, narzędzia

ręczne, części lączne i mocujące, naczynia i pojemniki, części konstrukcyjne, części
dekoracyjne
-

Wlaściwości wyrobu z określonego gatunku materiału kształtowanego metodami obróbki

plastycznej zależą od sposobu kształtowania i warunków prowadzenia procesu. Do warunków
zaliczamy: temperaturę kształtowania, wartość odkształcenia, prędkośc odkształcenia, stan
wyjściowy materiału.
-Odpowiedni dobór operacji obróbki plastycznej i ewentualnie obróbki cieplnej oraz cieplno-
chemicznej pozwala uzyskac poządany rozkład umocnienia oraz korzystny układ napręzen
własnych
-

Granica plastyczności odkształconego materiału w dostatecznie niskiej temperaturze wzrasta w

sposób ciagły w miare zwiększającego się odkształcenia
-

Obróbką plastyczną na gorąco nazywa się kształtowanie materiału w temperaturze równej

temperaturze rekrystalizacji lub wyższej od niej
-

Procesy przebiegające w temperaturze niżesz są zaliczanie do obróbki plastycznej na zimno

Odkształcenie plastyczne materiału powoduje zmiany: kształtu i wymiarów elementu,

mikrostruktury, stanu naprężeń, właściwości
-

Całokształt zmian określa się mianem zgniotu

- Tekstura zgniotu

– uprzywilejowana orientacja krystalograficzna ziaren względem kierunku i

płaszczyzny obróbki plastycznej, decydująca o anizotropii właściwości mechanicznych i
fizycznych metali obrobionych plastycznie na zimno
-

Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje wzrost energii wewnętrznej materiału wskutek

zwiększenia ilości defektów sieci krystalicznej
-

Materiał odkształcony an zimno jest w stanie metastabilnym – dąży do wydzielnia nadmiaru

energii. Proces ten jest aktywowany cieplnie tzn zachodzi tym szybciej im wyższa jest
temperatura materiału
-

Proces powrotu materiału odkształconego na zimno do stanu stabilnego dzieli się na dwa

podstawowe stadia

– zdrowienie i rekrystalizacja

-Zdrowienie

– proces wydzielania się z odkształconego materiału energii zmagazynowanej,

dzieki wzajemnemu oddziaływaniu, przegrupowaniu przez wspinanie i anihilacji dyslokacji bez
udzialu migracji szeroko kątowych granic ziaren. Przebieg zdrowienia: aktywowana cieplnie
migracja atomów międzywęzłowych i równoczesna migracja wakansów, przegrupowania
dyslokacji, rozrastanie

się podziaren

-Rekrystalizacja

– procesy zachodzące w uprzednio odkształconym metalu związane z migracja

szeroko kątowych granic ziaren. Rodzaje rekrystalizacji: pierwotna (aktywowany cieplnie proces
całkowitego przekrystalizowania odkształconego plastycznie materiału), równomierna (po
rekryst pierwotnej polega na wzroście wielkości ziaren), wtórna (polega na szczególnie silnym
wzroście niektórych ziaren, co prowadzi do bardzo duzego zróżnicowania wielkości ziaren)
-Temperatura rekrystalizacji

– właściwość materiału mająca charakter umowny , która zalezy od

stopnia gniotu, szybkości nagrzewania, czystości materiału, wielkości ziarna. Umównie
przyjmuje się, że jest to temperatura , w której dany metal poddany określonemu odkształceniu
zrekrystalizuje się całkowicie w ciągu 1 godziny.
-Gniot krytyczny

– przeważnie w przedziale 2-12%, powoduje po rekrystalizacji szczególnie

gruboziarnistą strukturę. Z tego powodu projektując obróbkę plastyczną wyrobów, które będą
podlegac rekrystalizacji, należy unikac odkształcenia krytycznego. Stopien gniotu = ((A0 –
A)/A0) * 100% A0

– początkowe pole przekroju poprzecznego, A – pole przekroju po

odkształceniu
-

Po odkształceniu na zimno można stosować: wyżarzanie odprężające w celu usunięcia

naprężeń, wyżarzanie rekrystalizujące – w celu usunięcia umocnien materiału
-

Obróbka plastyczna na gorąco – temp procesu > temp rekrystalizacji, brak umocnienia,

metody: walcowanie, kucie, wyciaganie, spęczanie, Wyroby: blachy, pręty, kształtowniki
-Obróbka plastyczna na zimno

– temp procesu < temp rekrystalizacji, umocnienie materiału,

metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie, gięcie, wyroby: tasmy, blachy, pręty
-

Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego jest odkształcenie przez poślizg.

Pasma poślizgu – charakterystyczne pasma pojawiające się na powierzchni odkształconego
kryształu w chwili powstania pierwszych odkształcen
-

płaszczyzny poślizgu – płaszczyny względem których nastąpiły przesunięcia bardzo cienkich

warstw metalu
-

Bliźniakowanie – może zachodzić po osiągnięciu krytycznej wartości naprężenia statycznego.

Podczas bliźniakowania część kryształu przechodzi w położenie symetryczne do pozostałej
części względem pewnej krystalograficznej płaszczyzny. Bliżniakowanie nie powoduje
znacznego odkształcenia plastycznego.