MATERIAA
OZNAWSTWO
Wydział Mechaniczny,
Mechatronika, sem. I
dr inż. Hanna Smoleńska
Budowa stopów metali
Po co stopy?
Czy można mieszać dowolne składniki w
dowolnych proporcjach?
 Stop  substancja składająca się z metalu
stanowiącego osnowę, do której wprowadzono co najmniej
jeden pierwiastek (metal lub niemetal), wykazująca cechy
metaliczne.
Skład chemiczny podawany w stężeniu masowym lub
atomowym
Stopy mogą być jedno- lub wielofazowe
Faza: jednorodna część stopu, oddzielona od reszty
stopu powierzchnią rozdziału, zwaną granicą faz. Na
granicy faz skład i właściwości zmieniają się w sposób
nieciągły (skokowy).
Układ równowagi: zbiór faz w stanie równowagi
termodynamicznej
Składniki stopów to: pierwiastki, roztwory stałe, fazy
międzymetaliczne i międzywęzłowe
Rodzaje faz: stałe, ciekłe, gazowe
Rodzaje faz stałych:
pierwiastki,
roztwory stałe,
fazy międzymetaliczne
Roztwory stałe
" Roztwór stały - jednorodna faza o wiązaniu
metalicznym i strukturze krystalicznej, czego
skutkiem są właściwości metaliczne
" Wyróżnia się rozpuszczalnik (pierwiastek 
składnik o większym stężeniu) i pierwiastek -
składnik rozpuszczony
Roztwory stałe:
Roztwory podstawowe: rozpuszczalnikiem jest
pierwiastek
Roztwory wtórne: rozpuszczalnikiem jest faza
międzymetaliczna
Roztwory stałe:
" międzywęzłowe (atomy składnika rozpuszczonego
między węzłami sieci rozpuszczalnika)  graniczne-
np. Fe z B, O, C, H, N
" różnowęzłowe (atomy rozpuszczalnika i składnika
rozpuszczonego w węzłach sieci)- ciągłe lub
graniczne  ekspansja lub kontrakcja sieci
" Roztwory międzywęzłowe są roztworami granicznymi; zawsze
ma miejsce ekspansja sieci.
" Tworzą je metale przejściowe (np. Fe, Ti) z pierwiastkami
niemetalicznymi o bardzo małych promieniach atomowych (H,
C, N).
Schemat struktury roztworu stałego
różnowęzłowego dwuskładnikowego:
A �%  atomy rozpuszczalnika ,
B  atomy pierwiastka
rozpuszczonego
Roztwory różnowęzłowe mogą być:
ciągłe (dowolne proporcje atomów
rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego) lub
graniczne (ograniczona rozpuszczalność
pierwiastka rozpuszczonego); zawsze ma miejsce
ekspansja lub kontrakcja sieci.
Roztwór stały ciągły
Schemat deformacji sieci roztworu stałego różnowęzłowego,
wywołanej przez atom pierwiastka rozpuszczonego:
a) ekspansja, b) kontrakcja
Reguły Hume-Rothery`ego
tworzenia roztworów stałych ciągłych
" Oba składniki posiadają jednakowy typ struktury
krystalicznej.
" Nieograniczona rozpuszczalność tylko przy
stosunku promieni atomowych składników <1,08,
natomiast ograniczona rozpuszczalność w
wypadku stosunku promieni atomowych >1,15.
" Im mniejsza różnica elektrowartościowości
składników, tym większa możliwość tworzenia
roztworów stałych ciągłych.
" Jednakowa wartościowość składników sprzyja
nieograniczonej rozpuszczalności składników.
Nadstruktury
" W niektórych roztworach stałych
różnowęzłowych, przy określonym stężeniu,
ma miejsce przemiana nieporządek 
porządek w trakcie chłodzenia lub
nagrzewania (nadstruktura).
" Wzory AB, AB3, A3B
a) b)
T
Roztwór o strukturze nieuporządkowanej (a) i uporządkowanej (b)
Umocnienie roztworów stałych
Stopy jednofazowe o strukturze roztworów stałych wykazują
zwykle wyższe właściwości wytrzymałościowe niż czyste
metale.
Umocnienie poprzez tworzenie się roztworu stałego
(obecność pierwiastków rozpuszczonych w sieci
rozpuszczalnika) wiąże się z działaniem jednego lub kilku
mechanizmów dyslokacyjnych:
blokowaniem dyslokacji w położeniach wyjściowych,
zmniejszeniem szybkości ruchu dyslokacji w wyniku
zwiększenia naprężenia tarcia sieci,
utrudnieniem w pokonywaniu przeszkód przez dyslokacje
w wyniku ograniczenia poślizgu poprzecznego.
Mechanizmy umocnienia
pokonywanie przez dyslokacje pól naprężeń wokół
niedopasowanych atomów pierwiastka rozpuszczonego -
(mechanizm Motta  Nabarro)
ruch postępowy dyslokacji
zachodzi przez przeskakiwanie
odcinka linii dyslokacji L,
kilkakrotnie dłuższego od
odległości  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 wyraz
nej granicy
plastyczności.
Atmosfery Cottrella   kotwiczenie dyslokacji
Atomy międzywęzłowe w metalach o sieci A2 silnie umacniają
ponieważ:
" Wytwarzają bardzo duże pola naprężeń sprężystych wokół siebie
- dzięki umiejscawianiu się w pobliżu dyslokacji obniżają ich energię
" wytwarzają pola naprężeń o charakterze hydrostatycznym i tnącym
- kotwiczą w ten sposób dyslokacje krawędziowe i śrubowe
" Mogą szybko dyfundować, nawet w temperaturze pokojowej
- dlatego mogą  znajdować dyslokacje w ciągu kilku godzin lub dni.
Wyraz
na granica plastyczności i zjawisko
starzenia odkształceniowego
 chemiczne blokowanie rozszczepionych dyslokacji* zgodnie z
mechanizmem Suzuki :
" w wyniku dyfuzji powstają w stopie obszary o lokalnie
zwiększonym stężeniu pierwiastka rozpuszczonego i obniżonej
przez to energii błędu ułożenia, które przyciągają się z
rozszczepionymi dyslokacjami
" dyslokacje cząstkowe w wyniku oddziaływania pierwiastków
rozpuszczonych są bardziej rozszczepione, co doprowadza do
dalszego poszerzania pasma błędu ułożenia między dyslokacjami
cząstkowymi i skutecznie zapobiega poślizgowi poprzecznemu
dyslokacji śrubowych;
*
Naprężenie poślizgu dyslokacji częściowych jest mniejsze niż dyslokacji całkowitych. Dlatego często
dyslokacje całkowite ulegają rozszczepieniu na częściowe. Rozszczepieniu dyslokacji towarzyszy
powstanie błędu ułożenia.
Umocnienie występuje wtedy gdy obce atomy wykazują inną
rozpuszczalność wokół błędu ułożenia niż w obrębie matrycy
Gdy obce atomy wykazują większą rozpuszczalność wokół BU:
A: (Stan nierównowagowy)
Dyslokacje i BU.
Obce atomy o takiej samej koncentracji c w matrycy i wokół BU.
o
B: (Stan równowagowy)
Obce atomy o koncentracji c w matrycy i c1 ( > co) wokół BU
o
(obce atomy dyfundują do BU).
Eenergia BU (na jednostkę powierzchni) jest mniejsza, co
powoduje poszerzenie  wstęgi BU, a to z kolei powoduje:
" Zmniejszenie napięcia liniowego dyslokacji
" Zmniejszenie całkowitej energii dyslokacji
" Wokół BU powstaje gradient koncentracji obcych atomów, co jest
" z
ródłem siły chemicznej blokującej ruch dyslokacji
 geometryczne blokowanie ruchu dyslokacji - mechanizm
Fishera;
" atomy pierwiastka rozpuszczonego zamiast pozostawać w
bezładnym ułożeniu mogą tworzyć lokalne zgrupowania
tzw. klastry lub mogą układać się regularnie w sieci
rozpuszczalnika tworząc uporządkowanie bliskiego
zasięgu, co utrudnia ruch dyslokacji, gdyż ruch ten
wymaga zniszczenia klastrów lub uporządkowania
bliskiego zasięgu.
Zawarte w klastrach atomy
dodatków stopowych hamują ruch
dyslokacji w płaszczyz
nie poślizgu
i wymuszają ich uginanie.
Fazy międzymetaliczne
Fazy międzymetaliczne  to połączenia metali lub
metali z niemetalami, wykazujące właściwości
metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity
udział wiązania metalicznego między atomami
wchodzącymi w skład fazy.
Fazy międzymetaliczne
Charakterystyczne cechy:
Struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze
składników
Uporządkowane rozmieszczenie atomów w sieci
krystalicznej
Przewaga wiązania metalicznego między atomami
Wzajemne stosunki ilościowe atomów składników nie
odpowiadają ich wartościowościom chemicznym, jakie
składniki wykazują w związkach chemicznych, chociaż
przypisuje się im określone wzory podobnie do związków
chemicznych  odchylenia od stechiometrii!
Kryteria klasyfikacji faz międzymetalicznych:
Stężenie elektronowe -stosunek liczby elektronów
wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnej-
możliwe stężenia 21/14(3/2), 21/13, 21/12(7/4)
Wielkość atomów składników
Rodzaje faz międzymetalicznych:
elektronowe
Lavesa
o strukturze siatek kagome
międzywęzłowe
Roztwory stałe wtórne (różnowęzłowe, międzywęzłowe,
pustowęzłowe):
Są to roztwory, w których rozpuszczalnikiem jest faza
międzymetaliczna, a składnikiem rozpuszczonym  jeden lub
wszystkie pierwiastki tworzące fazę.
Fazy elektronowe
" Stężenie elektronowe: stosunek liczby elektronów
wartościowości do liczby atomów w komórce
elementarnej
" Możliwe wartości stężenia elektronowego: 21/14(3/2),
21/13, 21/12(7/4))
" Roztwory stałe wtórne o wyraz
nych właściwościach
metalicznych
Klasy metali tworzących fazy
elektronowe
Przykłady faz elektronowych
" Fazy Lavesa
Tworzą się przy stosunku promieni
atomowych 1,05-1,68
Wzór AB2
M.in. w stopach Fe, Mn, Cr i Mo z innymi
metalami np. MgCu2
MgCu2
MgNi2
MgZn2
" Fazy o strukturach siatek kagome
Fazy �, P, R, �, �
" Charakter roztworów stałych wtórnych
Powstają po długotrwałym wygrzewaniu
roztworów stałych podstawowych
Płaskie siatki warstw atomowych faz parkietowych pochodne od
siatek kagome:
a) siatka kagome; b) struktura fazy �; c) struktura fazy P; d) struktura
fazy �
Przykłady faz �, P, R, �, �
" Fazy międzymetaliczne międzywęzłowe
Fazy międzymetaliczne, których węzły są
obsadzone atomami jednego z metali
przejściowych M (Fe, Cr, Mo, Mn, Ti), a pozycje
międzywęzłowe są zajęte przez atomy
pierwiastków niemetalicznych o małym
promieniu atomu X (H, B, C, N) - węgliki, azotki,
wodorki, borki, węglikoazotki
O ich powstaniu decyduje czynnik wielkości
atomów.
Klasyfikacja w zależności od stosunku promieni
metalu rM i niemetalu rX
Gdy rX/rM d" 0,59, tworzą się fazy o strukturach prostych, o
wzorach M4X, M2X, MX, MX2 (układ regularny lub
heksagonalny o prostych komórkach elementarnych)
Gdy rX/rM > 0,59, tworzą się fazy o strukturach złożonych, o
wzorach M3X, M23X6, M7X3, M6C (układ rombowy, regularny,
heksagonalny o złożonych komórkach elementarnych)
Azotki i węgliki typu MN i MC oraz M2N i M2C są
izomorficzne (ten sam typ sieci krystalicznej) i cechują się
wzajemną rozpuszczalnością. Możliwe jest więc tworzenie w
stopach węglikoazotków typu M(C,N) i M2(C,N)
Struktury proste
Węgliki
Struktury złożone
Struktura sieciowa cementytu Fe3C
Struktura sieciowa węglika Cr23C6
Węgliki metali przejściowych
Azotki i węglikoazotki
Azotki metali przejściowych
Umocnienie stopów cząstkami
faz wtórnych
" Spowodowane przez różnice między cząstkami a osnową:
struktury sieciowej, składu chemicznego, własności
sprężystych i wytrzymałościowych
" Utwardzanie wydzieleniowe: cząstki faz wydzielają się w
osnowie przy tworzeniu koherentnej granicy
międzyfazowej, sprężystego odkształcenia sieci i pola
naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe
zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy plastyczności
" Utwardzanie dyspersyjne: cząstki faz są wprowadzane w
procesie wytwarzania; występuje granica niekoherentna
Oddziaływania między cząstkami
faz wtórnych a dyslokacjami
" Przecinanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje
(niewielka twardość cząstek i uprzywilejowana orientacja
krystalograficzna)
" Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku
tworzenia zamkniętych pętli dyslokacyjnych
" Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku
zmiany płaszczyzny poślizgu poprzez wspinanie lub
poślizg poprzeczny