OBRÓBKA CIEPLNA

RODZAJE OBRÓBKI CIEPLNEJ

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

•obróbkę cieplną zwykłą,

•obróbkę cieplno–mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno–plastyczną),

•obróbkę cieplno–chemiczną,

•obróbkę cieplno–magnetyczną.

W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu. W obróbce cieplno–mechanicznej (cieplno–plastycznej) na własności obrabianego materiału wpływa ponadto odkształcenie plastyczne. Podczas obróbki cieplno–chemicznej istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wywiera także ośrodek, w którym odbywa się obróbka. W obróbce cieplno–magnetycznej istotne znaczenie odgrywa natomiast pole magnetyczne.

Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą:

•nagrzewanie,

•wygrzewanie,

•chłodzenie.

Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie. Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze. Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast z szybkością dużą – oziębianiem. Wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane wychładzaniem.

TWORZENIE SIĘ AUSTENITU PODCZAS NAGRZEWANIA Nagrzewanie stali do temperatury zapewniającej wystąpienie struktury austenitu jest zabiegiem stosowanym w większości operacji obróbki cieplnej. Warunkiem rozpoczęcia procesu tworzenia się austenitu z mieszaniny ferrytu i cementytu jest nagrzanie stali do temperatury wyższej od Ac1. Po nagrzaniu do tej temperatury, na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu następuje niejednorodne zarodkowanie austenitu. Ac1 (727°C, temperatura przemiany eutektoidalnej)

METODY UJAWNIANIA ZIARN AUSTENITU PIERWOTNEGO Ujawnianie ziarn austenitu pierwotnego w stalach o strukturze nieaustenitycznej w celu określenia ich wielkości może się odbywać kilkoma metodami:

•metodą nawęglania,

•metodą utleniania,

•metodą siatki ferrytu lub cementytu,

•metodą trawienia.

Metoda nawęglania stali niskowęglowej w ośrodku stałym z następnym kontrolowanym chłodzeniem umożliwia obserwacje metalograficzne siatki cementytu na granicach ziarn austenitu pierwotnego w warstwie nawęglonej, wytrawionej nitalem lub zasadowym pikrynianem sodu. Metoda utleniania polega na obserwacji siatki ferrytu utworzonej na granicach ziarn austenitu pierwotnego w wyniku odwęglania przygranicznych obszarów ziarn w czasie austenityzowania stali eutektoidalnej w atmosferze utleniającej, po następnym ochłodzeniu w wodzie lub powietrzu.

W czasie chłodzenia austenitu, w zależności od szybkości chłodzenia i temperatury przechłodzenia, mogą zachodzić przemiany:

•martenzytyczna,

•bainityczna,

•perlityczna.

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury Ms, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200°C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej vk. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie a.

Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury Mf jej końca. Wartości temperatury Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al i Co.

Martenzyt listwowy powstaje we wszystkich niemal stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi i cechuje się dużą gęstością dyslokacji wewnątrz kryształów. Pojedynczy kryształ ma kształt listwy o szerokości 0,1÷3 mm. Listwy tworzące się w kierunku <111> martenzytu układają się równolegle względem siebie tworząc tzw. pakiety. Sąsiednie listwy wykazują granice niskokątowe lub bliźniacze. Martenzyt płytkowy powstaje w nielicznych stopach żelaza w ściśle określonych zakresach stężenia pierwiastków stopowych. Kryształy martenzytu mają kształt płytek zbliżonych do soczewek o powierzchni w różnym stopniu nieregularnej w zależności od stopnia zbliźniaczenia. Wzrost płytki kończy się na wadach struktury austenitu lub na sąsiednich, wcześniej utworzonych płytkach martenzytu. Płytki martenzytu mogą być zbliźniaczone całkowicie lub częściowo.

Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450÷200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji.

W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się:

•bainit górny,

•bainit dolny. Bainit górny składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego. Bainit dolny składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz z austenitu szczątkowego

Przemiana perlityczna

zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie – na granicach ziarn tej fazy.

Grzanie składa się z zabiegów:

•nagrzewania,

•wygrzewania. W zależności od przewodności cieplnej, kształtu, wymiarów i masy przedmiotu, rodzaju ośrodka nagrzewającego, różnicy temperatury między piecem a nagrzewanym przedmiotem, temperatury nagrzewania, mocy pieca i innych czynników, szybkość nagrzewania może być bardzo zróżnicowana. Najczęściej jest stosowany jeden z trzech sposobów nagrzewania:

•powolne nagrzewanie wsadu z piecem,

•przyspieszone nagrzewanie wsadu w piecu o temperaturze obróbki cieplnej,

•szybkie nagrzewanie wsadu w piecu o temperaturze początkowej wyższej od temperatury obróbki cieplnej. Grzanie musi zapewniać uzyskanie jednakowej temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu.

OŚRODKI CHŁODZĄCE

W obróbce cieplnej jako ośrodki chłodzące są stosowane:

•woda oraz roztwory wodne soli, zasad i polimerów,

•oleje hartownicze,

•kąpiele solne i metalowe,

•ośrodki sfluidyzowane,

•powietrze i inne gazy.

Wyżarzanie

to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Wyżarzanie można sklasyfikować na operacje:

•podczas których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (jak w przypadku wyżarzania ujednorodniającego),

•podczas których nie zachodzą przemiany alotropowe (wyżarzanie rekrystalizujące, odprężające),

•podczas których zachodzą przemiany alotropowe, decydujące o końcowej strukturze (wyżarzanie norm

WYŻARZANIE UJEDNORODNIAJĄCE Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu metalu do temperatury niższej od temperatury solidusu (100÷200°C poniżej solidusu dla stali), wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.

WYŻARZANIE REKRYSTALIZUJĄCE Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu metalu do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne – tzw. sezonowanie – zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat.

WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu metalu do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3 (linia GOS na wykresie żelazo-węgiel, początek przemiany alotropowej), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych materiału. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa – często przed dalszą obróbką cieplną – w celu ujednolicenia struktury.

WYŻARZANIE ZUPEŁNE Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu materiału do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu. Wyżarzanie zupełne ma na celu zmniejszenie ciągliwości materiału i usunięcie naprężeń własnych (wewnętrznych).

WYŻARZANIE IZOTERMICZNE Wyżarzanie izotermiczne, będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu materiału do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od Ac1, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość. Odmianą wyżarzania izotermicznego jest patentowanie drutów lub taśm, polegające na wygrzewaniu w temperaturze 900÷1100°C, chłodzeniu izotermicznym w 500÷550°C i następnie obróbce plastycznej na zimno.

WYŻARZANIE SFEROIDYZUJĄCE Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem, polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1 (przy zmianach temperatury w zakresie ± 20°C wokół Ac1), W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

Ze względu na rodzaj uzyskiwanej struktury hartowanie można podzielić na:

•martenzytyczne,

•bainityczne. Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej. W czasie hartowania bainitycznego stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej. Gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość warstwy zahartowanej zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia, hartowanie jest nazywane hartowaniem objętościowym.

Hartowanie bainityczne zwykłe

charakteryzuje się chłodzeniem ciągłym z szybkością mniejszą od krytycznej – taką, by mogła przebiegać przemiana bainityczna. Celem operacji jest uzyskanie struktury bainitu, ewentualnie z martenzytem, oraz austenitu szczątkowego. W ten sposób uzyskuje się większe własności plastyczne i większą udarność stali niż po hartowaniu martenzytycznym i wysokim odpuszczaniu. Większa jest również odporność stali na zmęczenie, niższa jednak granica sprężystości i plastyczności.

Odpuszczanie - polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury odpuszczanie może być:

•niskie,

•średnie,

•wysokie. Hartowanie i niskie odpuszczanie wykonane łącznie są nazywane utwardzaniem cieplnym. Hartowanie i wysokie odpuszczanie stanowią łącznie tzw. Ulepszanie cieplne. Miarą skuteczności ulepszania cieplnego jest stosunek Re:Rm.

ODPUSZCZANIE NISKIE Odpuszczanie niskie (odprężające) jest wykonywane w temperaturze 150÷200°C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. ODPUSZCZANIE ŚREDNIE Odpuszczanie średnie, odbywające się w temperaturze 200÷500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość. ODPUSZCZANIE WYSOKIE Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re.

W wyniku procesów technologicznych, głównie obróbki cieplnej, obróbki plastycznej, odlewania lub spawania, w elementach metalowych mogą występować naprężenia własne, niezależnie od przyłożonych naprężeń zewnętrznych. W zależności od zasięgu działania naprężenia własne można podzielić na:

•naprężenia pierwszego rodzaju, obejmujące cały przedmiot i powodujące głównie zmiany wymiarów, a także odkształcenia lub pęknięcia związane z obróbką cieplną,

•naprężenia drugiego rodzaju, występujące w ziarnach,

•naprężenia trzeciego rodzaju, istniejące w sieci przestrzennej kryształu.

Rozkład i wartość naprężeń własnych zależą m.in. od wielkości i kształtu przedmiotu, szybkości chłodzenia, gatunku, struktury, hartowności, przewodnictwa cieplnego i współczynników rozszerzalności temperaturowej stali. Ze względu na przyczyny powstawania naprężenia własne i wywołane przez nie odkształcenia można podzielić na:

•naprężenia cieplne, powodowane nierównomiernymi dylatacyjnymi zmianami wymiarów w wyniku gradientu temperatury podczas grzania i chłodzenia,

•naprężenia strukturalne, wywoływane przemianami fazowymi i związanymi z tym zmianami objętości właściwej faz.

Do podstawowych wad, które mogą być powodowane obróbką cieplną stali, należą:

•odkształcenia,

•wypaczenia,

•pęknięcia. PACZENIE polega na niesymetrycznej zmianie wymiarów przedmiotu wskutek nieprawidłowego sposobu zanurzania przedmiotu w ośrodku chłodzącym. PĘKNIĘCIA HARTOWNICZE Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprężenia rozciągające pierwszego rodzaju są większe od wytrzymałości. Pęknięcia hartownicze powstają głównie w czasie chłodzenia. Pęknięcia należą do wad obróbki cieplnej, które nie mogą być usunięte. Przeciwdziałanie tworzeniu się tych wad polega na unikaniu karbów, hartowaniu z możliwie najniższej temperatury, łagodnym chłodzeniu w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany martenzytycznej.

Do podstawowych przyczyn powstawania wad hartowniczych należą:

•nieprawidłowe przygotowanie powierzchni obrabianych przedmiotów,

•nieprawidłowy załadunek i rozmieszczenie przedmiotów w piecu,

•nagrzewanie ze zbyt dużą szybkością bez wstępnego podgrzewania,

•zbyt niska temperatura lub za krótki czas nagrzewania,

•zbyt wysoka temperatura lub za długi czas nagrzewania,

•brak atmosfery ochronnej,

•zbyt duża szybkość chłodzenia i nieprawidłowe zanurzanie przedmiotu do kąpieli chłodzącej,

•zbyt mała szybkość chłodzenia lub mała ilość ośrodka chłodzącego.

Podatność stali na hartowanie, zwana hartownością, jest wyrażana zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania, zawartości wegla i szybkości chłodzenia.

UTWARDZALNOŚĆ Utwardzalność to podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność największej – możliwej do uzyskania po hartowaniu – twardości od warunków austenityzowania. Utwardzalność jest uzależniona od warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie.

PRZEHARTOWALNOŚĆ Przez przehartowalność rozumie się podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia. Na przehartowalność w sposób znaczący wpływają stężenie węgla i pierwiastków stopowych w roztworze stałym podczas austenityzowania, stopień jednorodności austenitu oraz wielkość jego ziarn. Wpływ stężenia węgla na twardość stali zahartowanej o różnym

Odpuszczalność

Reagowanie struktur utworzonych z przechłodzonego austenitu na odpuszczanie jest nazywane odpuszczalnością. Zwykle pojęcie odpuszczalności ogranicza się do ujmowania zależności twardości od temperatury odpuszczania przy stałym czasie tej operacji. Odpuszczalność zależy od struktury stali po hartowaniu i jest ściśle związana z temperaturą i czasem odpuszczania.

KRYSTALICZNA I RZECZYWISTA STRUKTURA METALI

SIEĆ KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH

Ciało stałe – cechuje się stabilnością kształtu. W zależności od stopnia uporządkowania struktury wewnętrznej dzielimy je na:

• krystaliczne i

• amorficzne (bezpostaciowe).

Sieć krystaliczna – układ atomów

charakterystyczny dla danego ciała!

W kryształach atomy są ułożone w odstępach okresowo powtarzających się w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach. Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch atomów w krysztale jest nazywana prostą sieciową. Najbliższa

odległość atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej nosi nazwę podstawowego periodu identyczności lub parametru sieci. Przesunięcie, tzw. translacja prostej sieciowej, o period identyczności w kierunku różnym od kierunku

prostej powoduje znalezienie płaszczyzny sieciowej.

Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w kierunku do niej nierównoległym tworzy sieć przestrzenną.

Elementami sieci przestrzennej są zatem:

•płaszczyzny sieciowe,

•proste sieciowe, będące śladami przecięcia płaszczyzn sieciowych,

•węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych; węzły sieci prymitywnej odpowiadają położeniu środków

atomów kryształu

Rodzaj elementów symetrii w elementarnej komórce sieciowej decyduje o podziale kryształów na 7 układów krystalograficznych.

Układy krystalograficzne

Gęstość wypełnienia sieci rdzeniami atomowymi charakteryzuje liczba koordynacyjna lk, równa liczbie najbliższych i równo oddalonych rdzeni atomowych od dowolnego wybranego rdzenia atomowego w sieci krystalicznej. Stopień wypełnienia przestrzeni sieci krystalicznej jest określony przez stosunek objętości przestrzeni zajętej przez atomy do całkowitej objętości komórki sieciowej. Sieć krystaliczną można scharakteryzować także przez podanie liczby rdzeni atomowych przypadających na jedną elementarną komórkę sieciową.

Współrzędne węzła sieciowego określają liczby periodów identyczności a, b i c, o które jest oddalony węzeł od początku układu współrzędnych odpowiednio wzdłuż jego osi x, y oraz z. Osie x, y i z układu współrzędnych są równoległe do krawędzi

elementarnej komórki sieciowej. Na każdej osi układu odcięte są odcinki jednostkowe (którymi są periody identyczności a, b i c), odpowiednio wzdłuż krawędzi komórki równoległej do danej osi..

Metale krystalizują wyłącznie w pięciu układach krystalograficznych: regularnym, heksagonalnym, tetragonalnym, rombowym i

romboedrycznym. Większość metali krystalizuje w układach krystalograficznych charakteryzujących się wysoką symetrią i dużą

gęstością zapełnienia sieci przestrzennej atomami, w szczególności w

sieciach:

•A1 – ściennie (płasko) centrowanej układu regularnego (RSC),

•A2 – przestrzennie centrowanej układu regularnego (RPC),

•A3 – heksagonalnej o gęstym ułożeniu atomów (HGU), niekiedy

zwanej heksagonalną zwartą (HZ).

Własności metali:

w tym głównie podatność na odkształcenie

plastyczne, w dużej mierze zależą od typu sieci przestrzennej.

KOMÓRKA A1

Elementarną komórkę sieci regularnej ściennie centrowanej A1 w kształcie sześcianu tworzy 14

rdzeni atomowych. Spośród nich 8 rdzeni atomowych jest usytuowanych w narożach,

natomiast 6 – w środku geometrycznym ścian bocznych sześcianu. Sieć ta należy do najgęściej wypełnionych rdzeniami atomowymi. Liczba koordynacyjna dla atomów sieci A1 wynosi 12, a liczba rdzeni atomowych przypadających na

jedną komórkę sieciową – 4. Najgęstsze ułożenie rdzeni atomowych w tej sieci występuje w 4

płaszczyznach rodziny {111} oraz w 3 kierunkach rodziny <110>, leżących w tych płaszczyznach.

KOMÓRKA A2

W elementarnej komórce sieci regularnej przestrzennie centrowanej A2 znajduje się 9 rdzeni atomowych, w tym 8 na narożach sześcianu, jeden zaś w jego środku geometrycznym. Liczba koordynacyjna tej sieci wynosi lk = 8. Sieć A2 charakteryzuje się więc mniejszą gęstością wypełnienia rdzeniami atomowymi; płaszczyzny są w niej rzadziej wypełnione rdzeniami atomowymi niż płaszczyzny {111} w sieci A1. Najgęstsze ułożenie rdzeni atomowych w sieci A2 mają płaszczyzny {110}, których jest 12, a w nich kierunki <111>, po dwa w każdej płaszczyźnie

KOMÓRKA A3

W sieci heksagonalnej A3 – o gęstym ułożeniu rdzeni atomowych – 3 elementarne komórki sieciowe są złożone z 17 rdzeni atomowych, z których 12 znajduje się w narożach prostopadłościanu o podstawie sześciokąta foremnego, 2 – w środku geometrycznym podstaw, a 3 pozostałe są usytuowane symetrycznie we wnętrzu elementarnej komórki sieciowej. W sieci tej występują gęsto obsadzone atomami płaszczyzny (0001), podobnie jak płaszczyzny {111} w sieci A1 oraz 3 kierunki o gęstym ułożeniu atomów <1120>.

Wiele metali pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia wykazuje skłonność do przebudowy sieci krystalicznej. Cecha ta jest

nazywana polimorfizmem lub alotropią, a odmiany różniące się budową krystaliczną noszą nazwę alotropowych. Odmiany

alotropowe poszczególnych metali, oznaczane zwykle greckimi literami – a, b, g ..., bardzo często różnią się między sobą

własnościami fizycznymi, chemicznymi, strukturą i własnościami

Najbardziej znane pierwiastki tworzące odmiany alotropowe

•węgiel występujący w formie diamentu, grafitu, fulerenu i nanorurek

•fosfor występujący w formie fosforu czerwonego, białego, fioletowego i czarnego

•siarka występująca w formie romboidalnej, jednoskośnej i polimerycznej.

•żelazo o sieci regularnej przestrzennie centrowanej (α i δ) oraz regularnej ściennie

centrowanej (γ).

Inne pierwiastki tworzące odmiany

alotropowe:

•arsen

•antymon

•cyna

•mangan

•selen

•uran

Metale i kryształy innych pierwiastków wykazują skończone wymiary i liczne wady budowy krystalicznej. Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na:

• punktowe,

• liniowe,

• powierzchniowe.

Do wad punktowych, cechujących się niewielkimi wymiarami we wszystkich kierunkach, należą wakanse, tj. wolne węzły w sieci krystalicznej, oraz atomy międzywęzłowe, które zajęły pozycje w lukach, opuszczając węzły sieci na skutek drgań cieplnych. Obecność zarówno wakansów, jak i atomów międzywęzłowych, powoduje wokół nich lokalne odkształcenie sieci przestrzennej kryształu, zwane odpowiednio kontrakcją lub ekspansją.

Liczba wad punktowych budowy krystalicznej jest funkcją temperatury. Podwyższeniu temperatury towarzyszy wzrost amplitudy drgań cieplnych, co ułatwia opuszczenie przez rdzenie atomowe pozycji w węźle sieci krystalicznej. Ponieważ nasilenie tych zjawisk następuje wraz ze wzrostem temperatury, dlatego są nazywane procesami aktywowanymi cieplnie. Wyróżnia się dwa mechanizmy:

•defekt Schottky’ego,

•defekt Frenkla.

•Pierwszy mechanizm, zwany defektem Schottky’ego, polega na przemieszczaniu się atomu w miejsce sąsiadującego wakansu, w wyniku czego powstaje wakans w innym miejscu sieci.

•Drugi mechanizm, związany z jednoczesnym utworzeniem wakansu i atomu międzywęzłowego, jest nazywany defektem Frenkla i polega na przemieszczaniu się rdzenia atomowego z pozycji węzłowej

Oprócz defektów punktowych istnieją defekty liniowe, zwane dyslokacjami. Wśród nich wyróżniamy

dyslokacje a) krawędziowe i b) śrubowe.

Dyslokacja krawędziowa – najprostszy rodzaj dyslokacji; w pewnej płaszczyźnie sieciowej ciągłość sieci urywa się wzdłuż linii (zwanej krawędzią) oznaczonej na powyższym rys. symbolem c.

Dyslokacja śrubowa – granica między przesuniętą a nie przesuniętą częścią kryształu. Granica ta biegnie równolegle do kierunku poślizgu; a nie prostopadle, jak to zachodzi w przypadku dyslokacji krawędziowej. Dyslokacja śrubowa przekształca kolejne płaszczyzny atomowe w powierzchnie śrubowe, z czego wywodzi się nazwa tej dyslokacji.

Dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź ekstrapłaszczyzny, tj. półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. W zależności od położenia dodatkowej półpłaszczyzny dyslokacje mogą być dodatnie, oznaczane ┴, lub ujemne - o oznaczeniu ┬.

Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi,

zwanej linią dyslokacji śrubowej. Wokół dyslokacji śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształcenie sieci krystalicznej.

Dyslokacje śrubowe mogą być

prawoskrętne lub lewoskrętne

Dyslokacje o dowolnej orientacji wektora Burgersa względem linii dyslokacji noszą nazwę mieszanych. Można je traktować jako

nałożone na siebie dyslokacje krawędziowe i śrubowe. Dyslokacje tworzą w obrębie kryształu zamknięte pętle, które nie mogą być przerwane, chyba że wyjdą na powierzchnię. Krzywoliniowe odcinki pętli są dyslokacjami mieszanymi, natomiast odcinki pętli, do których wektor Burgersa jest prostopadły lub równoległy, są odpowiednio dyslokacjami krawędziowymi lub śrubowymi.

Oddziaływania między dyslokacjami

Dyslokacje przemieszczające się w płaszczyźnie poślizgu, stykając się, wzajemnie na siebie oddziałują. Dwie jednoimienne dyslokacje krawędziowe przemieszczające się w tej samej płaszczyźnie poślizgu odpychają się wzajemnie. Podobnie oddziałują na siebie jednoimienne dyslokacje śrubowe. Dwie dyslokacje o przeciwnie skierowanych wektorach Burgersa – zarówno krawędziowe, jak i śrubowe – przyciągają się. W wyniku tego następuje zlikwidowanie obydwu dyslokacji reagujących ze sobą, a zjawisko nazywa się anihilacją dyslokacji różnoimiennych.

Dyslokacja, której ruch powoduje, że atomy ponownie znajdują się w takich samych położeniach, jak przed jej przejściem, jest

nazywana dyslokacją całkowitą lub doskonałą. Dyslokacja, której przejście wywołuje położenie atomów różne od pozycji

wyjściowych, nosi nazwę niedoskonałej lub odpowiednio częściowej albo kątowej.

Monokryształy

charakteryzują się prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym atomów z zachowaniem jednakowej orientacji wszystkich elementarnych komórek sieciowych w całej objętości kryształu.

Granice wąskokątowe, powstające w miejscu zetknięcia podziarn, charakteryzują się niewielkim kątem dezorientacji krystalicznej i mają budowę dyslokacyjną.

Granice wąskokątowe:

• daszkowe łączą kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym równoległym do granicy,

• skrętne powstają w miejscu połączenia kryształów o wspólnym kierunku sieciowym prostopadłym do granicy.

Granice między ziarnami różnych faz są nazywane granicami międzyfazowymi. Granice międzyfazowe, oddzielające fazy, różniące się parametrami i typem sieci, mają budowę zbliżoną do granic szerokokątowych. Granice międzyfazowe można podzielić na:

•koherentne,

•połkóherentne,

•niekoherentne.

Międzyfazowe granice koherentne (spójne) charakteryzują się dobrym dopasowaniem sieci sąsiadujących faz, w przeciwieństwie do granic niekoherentnych. Częściowe dopasowanie wykazują granice półkoherentne, cechujące się występowaniem dyslokacji na granicy.

Szkło metaliczne, tak jak inne ciała amorficzne, ma strukturę pośrednią między stanem krystalicznym a stanem ciekłym. W szkle

metalicznym są uporządkowane jedynie najbliżej sąsiadujące ze sobą atomy. Szkła metaliczne powstają w stopach metali z udziałem niemetali, utworzonych z atomów o zróżnicowanych wielkościach. Tworzą się po zastosowaniu bardzo dużej szybkości Chłodzenia (ok. 106 °C/s) podczas krzepnięcia – metale mogą uzyskiwać strukturę amorficzną, tj. bezpostaciową.

Otrzymane w taki sposób materiały są nazywane szkłami metalicznymi.

Metody otrzymywania szkieł metalicznych

•odlewania strumienia ciekłego stopu na obracający się i chłodzony wodą bęben metalowy (np. stopy Fe–Ni),

•wystrzeliwania kropli cieczy na ochłodzoną płytę miedzianą,

•naparowania w prożni na podłoże ochłodzone do temperatury –196°C (np. stopy Cu–Ag),

•elektroosadzania.

Zastosowania szkieł metalicznych

Szkła metaliczne znalazły liczne zastosowania praktyczne, np. na bardzo cienkie taśmy magnetycznie miękkie, taśmy

do lutowania, ostrza do golenia, a także na włókna do zbrojenia specjalnych materiałów kompozytowych

stosowanych np. na ekrany izolujące pole elektromagnetyczne.

Stopy mogą mieć strukturę jedno- lub wielofazową. Faza to jednorodna część stopu, oddzielona od pozostałej jego części

granicą międzyfazową. Poszczególne fazy stopu zwykle dość znacznie różnią się między sobą własnościami. Liczba, rodzaj i

własności faz są uzależnione od składu chemicznego stopu. Zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej jest nazywany układem. Stopy metali są wytwarzane głownie przez topienie i krystalizację ze stanu ciekłego.

EFEKT TWARDOŚCI WTÓRNEJ / CO TO ZA KURWA TEMAT?

Efekt twardości wtórnej –zjawisko to zachodzi szczególnie w stalach zawierających Mo i V. Węgliki powodujące efekt tw. Wtórnej M4C3 M2C M7C3

UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Roztwory stałe.

Można podzielić według różnych kryteriów. Ze względu na budowę rozróżniamy roztwory różnowęzłowe (substytucyjne) i międzywęzłowe. W zależności od zakresu występowania w układzie równowagi stosujemy podział na roztwory ciągłe (o nieograniczonej rozpuszczalności) i roztwory graniczne. Roztwory o ograniczonej rozpuszczalności dzielimy na pierwotne i wtórne.

 

 Roztwory stałe międzywęzłowe.

W przypadku, gdy atomy rozpuszczone są znacznie mniejsze od składnika osnowy (rozpuszczalnika) wówczas lokują się one w lukach międzywęzłowych, jakie zawsze istnieją między atomami, nawet w najgęściej wypełnionych sieciach krystalicznych.

W sieciach metalicznych istnieją luki oktaedryczne (większe) i tetraedryczne (mniejsze),,jednak obydwa rodzaje luk są mniejsze od atomów, które w nie wchodzą. Wywołuje to silne zniekształcenie sieci (rozszerzenie), które powoduje, że z jednej strony zakres występowania roztworu jest wąski - są to zawsze roztwory graniczne, z drugiej strony - atomy międzywęzłowe jako defekty punktowe sieci mają tendencje do równomiernego rozmieszczania się w sieci na skutek wzajemnego odpychania się ich pól naprężeń.

 

 

 

Roztwory stałe różnowęzłowe.

Powstają, gdy wielkości atomów składników stopu są zbliżone, w wyniku wzajemnego zastępowania się atomów składników stopu w węzłach sieci. Występują przy tym naprężenia w~ sieci i jej odkształcenia. Im mniejsze jest zniekształcenie sieci, tym większa jest tendencja do tworzenia roztworów szerokim zakresie stężeń. Duże różnice w wielkości atomów zwiększają zniekształcenie sieci, co zawsze prowadzi do ograniczenia rozpuszczalności. Zmiana parametrów sieci wywołana rozpuszczaniem atomów jest - zgodnie z regułą Vegarda -liniową funkcją ich stężenia w roztworze.

 

Alotropią.

Nazywa się występowanie tego samego pierwiastka (związku) w postaci dwóch lub więcej odmian krystalicznych.

 

 

Faza.

Nazywamy jednorodną część pod względem chemicznym, a zwłaszcza krystalograficznym, oddzieloną od innych części powierzchnią rozdziału, czyli granicą fazową.

 

Układ.

Układem nazywamy zbiór faz. Jeśli fazy znajdują się w równowadze termodynamicznej mówimy o układzie równowagi. Istnieją układy jednoskładnikowe - pojedyncze, dwuskładnikowe - podwójne itd.

Składniki.

Składnikami układu nazywamy substancje proste (np. pierwiastki) lub złożone  (np. związki) nieulegające przemianom, z których składają się fazy układu.

 Równowaga fazowa.

Równowaga fazowa następuje wówczas, gdy w określonych warunkach termodynamicznych stosunki ilościowe między fazami układu, tj. skład fazowy, pozostają stałe.

 

Równowaga termodynamiczna.

Równowaga termodynamiczna jest pojęciem wykorzystywanym do określenia stanu układu. Kryterium równowagi termodynamicznej jest energia swobodna, która w warunkach równowagi osiąga wartość minimalną.

 

Energia swobodna.

Jest jednoznaczną funkcją stanu (tzn. jednoznacznie określa stan układu). Funkcję tę możemy rozpatrywać w różnych warunkach termodynamicznych (temperatury T, ciśnienia P, objętości V). Jeżeli układ znajduje się w stałej temperaturze i objętości, równowaga jest opisywana za pomocą tzw. energii swobodnej Hehnholtza (F)

 

Gdzie: E - energia wewnętrzna, S - entropia.

Reguła dźwigni – zgodnie z tą regułą w punkcie Q obszaru równowagi faz α i β stosunek udziału a fazy α do udziału b fazy β zależy od warunków równowagi wynikających z położenia punktu Q i równa się stosunkowi odcinków QB do QA

$$\frac{a}{b} = \frac{\text{QB}}{\text{QA}}$$

Reguła faz Gibbsa – określa liczbę stopu swobody układu z, liczbę zewnętrznych czynników, które można zmieniać nie powodując zmiany liczby faz w układzie

z = s – f + 2

z – stopnie swobody

s – liczba niezależnych składników

f – liczba faz

Solidus – linia pod która znajduje się ciało stałe

Likwidus – linia powyżej której znajduje się ciecz

Faza – jednorodna część układu faz oddzielona od reszty układu granicą między fazową

Stan równowagi termodynamicznej – osiągamy ją gdy energia swobodna układu uzyska minimum lub gdy potencjały chemiczne składników we wszystkich fazach układu staną się sobie równe i ustaje ich przepływ przez granice fazowe.

Analiza termiczna - polega na rejestrowaniu zmian temperatury stopu w funkcji czasu chłodzenia ze stanu ciekłego do temperatury pokojowej lub nawet niższej.

 

Mieszaniny Faz

Stanem stopu, występującym bardzo często, jest mieszanina faz. O mieszaninie faz mówi się wtedy, gdy w stopie znajdują się co

najmniej dwie fazy w stanie rozdrobnienia, oddzielone od siebie granicami międzyfazowymi. Każda faza ma przy tym określone, właściwe sobie, skład chemiczny, strukturę krystaliczną i własności. Mieszaniny faz mają zwykle lepsze własności wytrzymałościowe i mniejszą plastyczność od poszczególnych faz.

Fazy międzymetaliczne

występują przy ściśle określonych stężeniach składników stopu, chociaż mogą występować również w pewnym zakresie stężeń i tworzyć roztwory stałe wtórne. Roztwory te mogą być:

•różnowęzłowe,

•międzywęzłowe,

•pustowęzłowe.

W roztworach pustowęzłowych występuje nadmiar atomow jednego ze składników, a w węzłach sieci krystalicznej, które miałyby

być obsadzone atomami drugiego składnika, powstają wakanse.