Struktura materiałów,
układy równowagi
fazowej, przemiany
fazowe

Tatiana Kosińska
Grupa IM42

Seminarium Dyplomowe 2014/2015

Politechnika Śląska

Wydział Inżynierii Materiałowej

I Metalurgii

Sieć przestrzenna(krystalograficzna)

Charakterystyczny

dla

każdego kryształu rozkład
atomów lub cząstek, który
jest

zespołem

punktów

(węzłów)

w

przestrzeni

mających

identyczne

otoczenie.
Kryształ

powstaje

w

momencie
przyporządkowania węzłom
sieci atomów lub cząstek
które wyznaczają strukturę
krystaliczną

Komórka elementarna – najmniejsza powtarzalna
część

struktury

zachowująca

wszystkie

geometryczne cechy kryształu.

Układy krystalograficzne wg. Bravais’a

http://learn.crystallography.org.uk

/

Defekty punktowe

Defekty punktowe stanowią nieobsadzone przez
atomy lub cząsteczki węzły sieci kryształu.

Rzeczywista struktura kryształów

Mechanizmy tworzenia się wad punktowych budowy krystalicznej
a - defekt Schottky’ego (przejście atomu na powierzchnię kryształu)
b - defekt Frenkla (przejście atomu w pozycję międzywęzłową)

h

tt

p

://

za

so

b

y.o

p

e

n

.a

g

h

.e

d

u

.p

l

/

Lokalne odkształcenia sieci przestrzennej

Kryształ jako całość jest elektrycznie obojętny, kiedy
tworzą się pary wakansów o przeciwnych znakach lub
w pozycji międzywęzłowej lokalizuje się jon o takim
samym znaku jak wakans. Defekty punktowe powodują
lokalne zniekształcenia sieci kryształu, czyli kontrakcję
(a) lub ekspansję (b).

h

tt

p

://

za

so

b

y.o

p

e

n

.a

g

h

.e

d

u

.p

l

/

Defekty liniowe

Defekty liniowe struktury kryształu obejmują błędy
ułożenia oraz dyslokacje.

Błąd ułożenia powstaje w kryształach o sieci RSC w
wyniku zakłócenia kolejności ułożenia warstw
atomowych na płaszczyznach {111} opisanych
sekwencją ABC ABC ABC.

ABCABCABC

ABCACABC

ABCABCABC

ABCABACABC

Błąd ułożenia wewnętrzny
-skupisko wakansów

Błąd ułożenia zewnętrzny
-skupisko atomów
międzywęzłowych

Defekty liniowe - dyslokacje

Dyslokacja powstaje w krysztale w wyniku
wprowadzenia dodatkowej pół-płaszczyzny
atomowej (dyslokacja krawędziowa) lub
wzajemnego przesunięcia płaszczyzn atomowych
(dyslokacja śrubowa)

R

P

Dyslokacja krawędziowa – model oraz rozmieszczenie atomów
w płaszczyźnie prostopadłej do linii dyslokacji

Źródło:http://wisebook.pl

/

Wektor Burgersa

Wokół dyslokacji można wyznaczyć
czworobok zwany konturem Burgersa.
Odcinek potrzebny do zamknięcia konturu
nazywany jest wektorem Burgersa i
oznaczany symbolem b.

Wyznaczanie wektora Burgersa
dyslokacji śrubowej

http://zasoby.open.agh.edu.pl

/

Ruch dyslokacji

Większość dyslokacji występujących w
kryształach ma zdolność przemieszczania się.
Rozróżnia się dwa podstawowe mechanizmy
ruchu dyslokacji w krysztale:

- poślizg

(ruch zachowawczy), dominuje w

niskich temperaturach

- wspinanie

(ruch niezachowawczy),

charakterystyczny dla temperatur wysokich.

Fazy występujące w metalach

Roztwory stałe

Schemat rozmieszczenia atomów: a) roztwór stały różnowęzłowy,
b) roztwór stały międzywęzłowy

http://zasoby.open.agh.edu.pl

/

Fazy pośrednie

Powstają w warunkach, kiedy dwa pierwiastki
tworzą wspólną strukturę krystaliczną
odmienną od struktury każdego ze
składników.

Podstawowe rodzaje faz międzymetalicznych:
-

Fazy elektronowe

– fazy w których stężenie

elektronowe wynosi 3/2, 21/13 lub 7/4
-

Fazy Lavesa

– fazy których stosunek

promieni atomów
r

A

/r

B

=1.225

Fazy międzywęzłowe

Tworzą się pomiędzy pierwiastkami
przejściowymi a metaloidami o małej średnicy
atomów: węglem, borem, azotem, tlenem i
wodorem. W zależności od stosunku promieni
atomu niemetalu do metalu można podzielić na:

- fazy o strukturach prostych

– w których węzły

sieci zajęte są przez atomy metali, natomiast
atomy niemetali zajmują luki międzywęzłowe.
Fazy te są trwałe, bardzo twarde i kruche.

- fazy o strukturach złożonych

- które są mniej

trwałe od faz o strukturach prostych

Układy równowagi fazowej

Równowaga fazowa

– współistnienie faz w stanie

równowagi termodynamicznej. Stosunki ilościowe
pomiędzy fazami układu, w stanie równowagi
pozostają stałe.

Przemiana fazowa

– proces prowadzący do pojawienia

się w układzie nowej fazy. Zwiazana jest zawsze ze
zmianą stanu układu, wywołanego zmianami
parametrów stanu

Reguła faz Gibbsa

– zależność termodynamiczna,

wiażąca liczbę faz występujących w układzie (f) z
liczbą niezależnych składników układu (n) oraz z liczbą
stopni swobody tego układu (z), czyli liczba
parametrów które można zmieniać bez naruszenia
równowagi fazowej

z=n-f+2

Wykres fazowy dla składników o
nieograniczonej rozpuszczalności

Wykres równowagi fazowej układu dwuskładnikowego z nieograniczoną
rozpuszczalnością składników w stanie stałym

Górna granica obszaru

dwufazowego

nazywana jest linią

likwidus

Dolna granica obszaru

dwufazowego

nazywana jest linią

solidus

http://www.imim.pl

/

Wykres równowagi fazowej składników
tworzących mieszaninę

Roztwór ciekły (L)

L+A

L+B

A+Eutektyka (A+B)

Stopy

podeutektyczne

B+Eutektyka (A+B)

Stopy

nadeutektyczne

T1

A

B

C

T

E

D

F

100%
A

100%
B

Wykres równowagi fazowej układu o całkowitym braku rozpuszczalności
składników w stanie stałym

Z cieczy o składzie

punktu E wydziela się

mieszanina kryształów

składnika A oraz

kryształów składnika B

L

E

A+B

chłodzenie

nagrzewanie

http://www.imim.pl

/

Wykres równowagi fazowej składników
tworzących w stanie stałym roztwory graniczne

100%
A

100%
B

Roztwór ciekły (L)

L+α

L+β

α+β

α+(α+β)

β+(α+β)

Wykres równowagi fazowej układu o ograniczonej rozpuszczalności
składników w stanie stałym

h

tt

p

://

w

w

w

.im

im

.p

l

/

Wykres równowagi fazowej układu z przemianą
perytektyczną

Roztwór ciekły (L)

L+α

L+β

α+β

α

β

T

P

A

B

C

P

D

D’

P’

C’

100%
A

100%
B

http://www.imim.pl

/

Złożone wykresy fazowe

Wykresy równowagi fazowej układu z fazą międzymetaliczną:
a) - A

m

B

n

b) Tworzącą roztwór stały wtórny γ

http://www.imim.pl

/

Układ równowagi fazowej Fe-Fe

3

C

h

tt

p

:/

/w

w

w

.z

m

io

.p

s.

p

l/

/

Klasyfikacja przemian fazowych

Przemiany jednorodne

– zachodzą

jednocześnie w całej objętości. W stanie
stałym obejmuje przemiany porządek-
nieporządek oraz przemiany spinodalne.

Przemiany niejednorodne

– w różnych

obszarach powstają zarodki nowej fazy i
wzrastają w wyniku przemieszczania się
granicy rozdziału fazy wyjściowej i nowo
utworzonej

Zarodkowanie

Zarodkowanie homogeniczne

– polega na

tworzeniu się zarodków w fazie jednorodnej,
przy czym prawdopodobieństwo utworzenia
się zarodka w każdym jej punkcie jest
jednakowe.

Zarodkowanie heterogeniczne

– polega na

utworzeniu zarodka nowej fazy na obcym
podłożu lub na defektach struktury.

Krystalizacja

Krystalizacja kierunkowa

– polega na

przemieszczaniu ciągłego frontu
krystalizacji z jednego końca formy na
drugi.

Krystalizacja objętościowa

– wystepuje

po odlaniu metalu do wlewnic lub
form odlewniczych. Cieplo krystalizacji
metalu odprowadzone jest przez
wszystkie ścianki formy. Po
przechłodzeniu kąpieli kryształy
pojawiają się w rożnych
obszarach cieczy i
tworzą nieciągły
front krystalizacji.

g

rz

e

jn

ik

ciecz

kryształ

ch

ło

d

n

ic

a

http://dc313.4shared.com

/

Przemiana eutektoidalna

Zmiana struktury krystalicznej rozpuszczalnika
podczas chłodzenia poprzedzona dyfuzyjnym
przegrupowaniem atomów w roztworze i utworzeniem
fazy bogatej w składnik rozpuszczony. W wyniku
przemiany eutektoidalnej powstaje mieszanina faz
nazywana eutektoidem.

W stopach żelaza z węglem przykładem przemiany
eutektoidalnej jest przemiana perlityczna

Przemiana martenzytyczna

Przemiana bezdyfuzyjna polegającą na
skoordynowanym ruchu atomów na odległości
mniejsze od parametrów komórki
strukturalnej, przy zachowaniu składu
chemicznego fazy wyjściowej i produktu
przemiany.

W stopach żelaza z węglem mogą tworzyć się
dwa rodzaje martenzytu, różniące się
kształtem kryształów i ich strukturą
wewnętrzną:

-Martenzyt listwowy
-Martenzyt płytkowy

Przemiana bainityczna

W stopach żelaza z węglem
przechłodzony austenit może
przemieniać się w strukturę
nazywaną bainitem.
Przemiana bainityczna cechuje się
tym, iż na skutek małej szybkości
dyfuzji węgla nie mogą zostać
osiągnięte składy równowagowe faz
i rozkład austenitu nie zachodzi do
końca.
Bainit jest to mieszanina
przesyconego węglem ferrytu i
węglików.
Przemiana bainityczna łączy w
sobie cechy dyfuzyjnej przemiany
perlitycznej i bezdyfuzyjnej
przemiany martenzytycznej

http://www.imim.pl/

Bibliografia

•

Hetmańczyk M., Podstawy Nauki o Materiałach,
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996r.

•

http://www.imim.pl/files/Wykladyprof_MF/Efekty_struk
turalne_Wyklad_5.pdf

•

http://www.zmio.ps.pl/Tworzywa_metaliczne/Fe-
Fe3C_A0.jpg

•

http://learn.crystallography.org.uk/

Dziękuję za

uwagę