Wierzchowski Marcin
II MDT
Gr. 1210
Sprawozdanie z ćw.
Stopy dwuskładnikowe
Tylko nieliczne metale znajdują bezpośrednie zastosowanie w stanie chemicznie lub technicznie czystym, ze względu na ich niską wytrzymałość. W technice stosuje się głównie stopy metaliczne. Mają one lepsze własności mechaniczne od czystych metali, a ponadto mogą wykazywać nowe szczególne właściwości, nie występujące u czystych metali. Stopy metaliczne mogą być złożone z dwóch lub więcej składników, przy czym przynajmniej jeden główny składnik stopu musi być metalem. Znalazły one bardzo szerokie zastosowanie w związku z różnorodnymi właściwościami, jakie można uzyskać przez stapianie ze sobą różnych składników. Właściwości stopów są zależne zarówno od ich składu chemicznego, jak też od i od budowy wewnętrznej, tj. struktury. W zależności od liczby składników tworzących stop rozróżnia się stopy podwójne, potrójne, poczwórne, tj. złożone z dwóch, trzech lub czterech składników.
Skład chemiczny stopów wyraża się w procentach wagowych, ujmujących procentową masę danego składnika w stosunku do całej masy stopu, lub w procentach atomowych, określających procentowy udział atomów poszczególnych składników do ogólnej liczby atomów. Pierwszy sposób wyrażania składu chemicznego stopów znajduje zastosowanie głównie w przemyśle, natomiast drugi w rozważaniach teoretycznych.
Najbardziej rozpowszechnioną metodą otrzymywania stopów jest stapianie ze sobą poszczególnych składników wchodzących w skład stopu. Stopy można uzyskiwać przez spiekanie i dyfuzję w stanie stałym oraz przez kondensację ze stanu gazowego lub przez jednoczesne osadzanie elektrolitu.
Budowa stopów metalicznych jest krystaliczna, jednakże w stosunku do budowy czystych metali będzie ona bardziej złożona. Struktura stopów zależeć będzie od sposobu wzajemnego oddziaływania na siebie stapianych składników w procesie krystalizacji. W przypadku, gdy stapiane składniki zupełnie na siebie nie oddziałują, struktura stopu po jego zakrzepnięciu będzie mieszaniną oddzielnych ziarn obu składników. Stapiane elementy mogą jednak wchodzić między sobą w reakcje chemiczne i wówczas powstają kryształy związków chemicznych i innych faz międzymetalicznych lub też stapiane metale mogą się wzajemnie całkowicie lub częściowo rozpuszczać tworząc kryształy roztworów stałych.
W stanie gazowym stopy metaliczne tworzą jednorodną mieszaninę atomów lub cząsteczek. W stanie ciekłym większość metali rozpuszcza się wzajemnie w sposób nieograniczony, co oznacza, że po stopieniu niezależnie od ilościowego ich stosunku otrzymuje się jednorodny ciekły roztwór. Istnieją również metale nie rozpuszczające się wzajemnie, jak np.: żelazo i ołów. Stopione, nie rozpuszczające się wzajemnie w stanie ciekłym metale, rozwarstwiają się po pewnym czasie, wytwarzając dwie oddzielne warstwy cieczy, jedna nad drugą w zależności od ich ciężarów właściwych. Częściej metale rozpuszczają się w sobie, chociażby w stopniu bardzo nieznacznym. W tym ostatnim przypadku, o ile zawartość składnika stopu nie przekracza jego granicznej rozpuszczalności w metalu - rozpuszczalniku, otrzymuje się również jednorodny ciekły roztwór. W przypadku zaś, gdy zawartość składnika stopowego przekracza jego graniczną rozpuszczalność, powstają dwa nasycone ciekłe roztwory na osnowie obu metali wchodzących w skład stopu.
Podobnie jak w stanie ciekłym również i w stanie stałym występuje zjawisko wzajemnej rozpuszczalności metali. O ile dwa metale rozpuszczają się wzajemnie w stanie stałym, to przy krzepnięciu powstają kryształy roztworu stałego. Stopy takich metali mają przy obserwacji mikroskopowej budowę jednorodną, złożoną z kryształów tego samego rodzaju, posiadających jednakowy typ sieci przestrzennej i w tym względzie nie różnią się od kryształów czystego składnika. Różnica pomiędzy stopem a czystym metalem występuje dopiero w budowie atomowej. Sieć krystaliczna roztworów stałych zbudowana jest z atomów wszystkich składników stopu, w przeciwieństwie do kryształów czystych metali, które zbudowane są tylko z atomów danego pierwiastka. Tylko niektóre metale mogą się w sobie rozpuszczać nieograniczenie ; wówczas, gdy zawartość stapianych metali nie przekracza granicy ich wzajemnej rozpuszczalności, otrzymuje się stop o budowie jednorodnej, złożony z kryształów roztworu stałego. W przypadku natomiast, gdy jeden z metali występuje w ilościach przekraczających jego graniczną rozpuszczalność w drugim metalu, wówczas oprócz roztworu stałego pojawi się jeszcze druga faza. Istnieją również metale całkowicie nie rozpuszczające się w sobie w stanie stałym. Stopy takie po zakrzepnięciu będą mieszaniną kryształów obu tych metali.
W zależności od sposobu rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika rozróżnia się trzy rodzaje roztworów stałych:
roztwory różnowęzłowe (zamienne, substytucyjne),
roztwory międzywęzłowe (śródwęzłowe, interstycyjne),
roztwory pustowęzłowe (substrakcyjne).
Przy tworzeniu się roztworów stałych sieć przestrzenna metalu rozpuszczalnika zostaje zachowana, chociaż ulega pewnej deformacji. Jest to zasadnicza cecha roztworów stałych, wyraźnie odróżniająca je od innych faz międzymetalicznych. Roztwory stałe oznacza się zazwyczaj literami greckimi.
Przebieg przemian zachodzących podczas analizy termicznej czystych metali jest prosty. W określonych temperaturach krytycznych następują tylko zmiany stanu skupienia lub przemiany alotropowe w stanie stałym, czemu odpowiadają na krzywych ostygania czy też nagrzewania przystanki temperatur.
Inaczej jest w przypadku stopów. Przemiany zachodzące w tego rodzaju układach wieloskładnikowych są bardziej złożone i przedstawia się je graficznie na układach równowagi. Układy równowagi fazowej ilustrują całokształt przemian zachodzących w stopach zarówno w stanie ciekłym, jak i w stanie stałym, w zależności od temperatury i składu chemicznego. Można za ich pomocą ustalić, jakie przemiany zachodzą w stopach o określonym składzie chemicznym podczas nagrzewania czy też chłodzenia i jaką strukturę otrzymujemy w wyniku tych przemian. Ponadto z wykresów równowagi można odczytać z jakich faz składa się stop o określonym składzie w określonej temperaturze oraz ustalić ich liczbę. Wykresy te dlatego zwane są wykresami równowagi, ponieważ przedstawiają trwałe stany stopów, odpowiadające w danych warunkach najmniejszemu zapasowi energii swobodnej układu, a w praktyce otrzymywane przez bardzo wolne nagrzewanie czy też chłodzenie. Pomocą przy konstrukcji układów równowagi fazowej oraz sprawdzianem prawidłowego ich wykonania jest reguła faz Gibbsa, dająca jakościową charakterystykę układów wielofazowych w stanie równowagi. Na podstawie reguły faz można przewidzieć, czy przemiany zachodzą w stałej temperaturze, czy też w zakresie temperatur, oraz ile faz może równocześnie występować w stanie równowagi. Reguła faz określa liczbę stopni swobody w zależności od liczby składników i ilości faz. Ilość stopni swobody określa ilość czynników zewnętrznych i wewnętrznych, które można zmienić bez wpływu na liczbę faz, w ogólnej postaci wyraża się wzorem:
S = N - F + 2
gdzie: S - ilość stopni swobody
N - ilość składników
F - ilość faz
Podstawowymi pojęciami, którymi operuje się przy omawianiu układów równowagi, są: układ, faza, składnik i stopnie swobody. Wyodrębnioną z otoczenia grupę ciał, będącą przedmiotem badania, nazywamy układem; będzie więc układem np. stop metaliczny, w którym badamy przemiany przy nagrzewaniu czy chłodzeniu.
Faza jest jednorodną częścią układu o jednakowych własnościach fizycznych i jednakowym składzie chemicznym, oddzielona powierzchnią rozdziału od pozostałych części układu. Wszystkie cząstki tej samej substancji, tworzące zawiesinę, uważa się za jedną fazę, pomimo że są oddzielone od siebie powierzchniami rozdziału, gdyż różnią się między sobą właściwościami.
Składnikami nazywa się substancje proste lub złożone, z których w odpowiednich warunkach mogą powstać wszystkie fazy danego układu. Składnikami mogą być pierwiastki lub związki chemiczne. Niemożliwa jest przemiana jednego składnika w drugi, natomiast poszczególne składniki mogą przechodzić z jednej fazy do drugiej. Związki chemiczne można uważać za składniki jedynie wówczas, gdy nie rozpadają się w rozpatrywanym zakresie temperatur.
Stan układu zależy od temperatury i ciśnienia oraz składu chemicznego poszczególnych faz, przy czym wielkości te są zmienne.
Metale, których rozpuszczalność zarówno w stanie ciekłym, jak i w stanie stałym jest nieograniczona, tworzą po stopieniu jednorodny roztwór ciekły, zaś w stanie stałym jednorodne kryształy roztworu stałego.
W celu sporządzenia wykresu równowagi fazowej trzeba przeprowadzić analizę termiczną szeregu stopów o różnych stosunkach wagowych obu metali, polegającą na wykreśleniu krzywych chłodzenia czy też nagrzewania. Im więcej stopów zostanie przebadanych, tym dokładniej ustalić można przebieg wykresu. W przypadku całkowitej rozpuszczalności wykres składa się tylko z dwóch krzywych: linii solidus (poniżej której stop znajduje się wstanie stałym) oraz likwidus (powyżej której stop jest w stanie ciekłym).
Wystąpić może również całkowity brak rozpuszczalności. Przykładem pary metali, które zupełnie nie rozpuszczają się w sobie w stanie stałym ani też nie tworzą związków chemicznych, a w stanie ciekłym rozpuszczają się wzajemnie nieograniczenie są bizmut i kadm.
W tym przypadku wykres będzie już bardziej skomplikowany. Linia solidus ma postać prostej równoległej do osi poziomej. Natomiast linia likwidus składa się z dwóch krzywych mających punkt wspólny z linią solidus, ten charakterystyczny punkt zwany jest punktem eutektycznym. Punkt ten występuje dla określonego składu stopu, który zwany jest stopem eutektycznym. Stopy o składzie na prawo od tego punktu nazywamy stopami nadeutektycznymi, zaś na lewo stopami podeutektycznymi.
Spotkać można również stopy o ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym z przemianą eutektyczną. Układ ten jest jakby połączeniem obu poprzednio poznanych wykresów. Stopy o składach pomiędzy punktami A - 3 oraz 6 - B krzepną podobnie jak roztwory stałe ciągłe i w stanie stałym zbudowane są z jednorodnych kryształów roztworu α lub β. Środkowa część wykresu pomiędzy punktami 3 i 6, jest zupełnie podobna do poprzednio omówionego przypadku eutektyki, z tą jednak różnicą , że przy krzepnięciu wydzielać się będą kryształy roztworu stałego α lub β, w zależności czy będą to stopy nad- czy podeutyktyczne.
Możemy również spotkać wykresy stopów o ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym z przemianą perytektyczną. Przemiana perytektyczna zachodzi gdy w skład stopu wchodzą składniki o bardzo dużej różnicy pomiędzy ich temperaturami krzepnięcia.
Dodatkowo występują również stopy o ograniczonej zmiennej rozpuszczalności w stanie stałym, zarówno z przemianą eutektyczną jak i perytektyczną. Różnica pomiędzy tymi wykresami a wykresami o stałej rozpuszczalności polega na tym, że wraz ze zmianą temperatury w stanie stałym zmienia się graniczna rozpuszczalność jednego pierwiastka w drugim. Można łatwo rozpoznać na pierwszy rzut oka czy wykres jest ze stałą czy zmienną rozpuszczalnością. Przejawia się to tym, że na wykresie odcinki 2 - 3 i 5 - 6 są krzywymi, dla zmiennej rozpuszczalności, lub prostymi prostopadłymi do osi poziomej, dla stałej rozpuszczalności.
1