Struktura materiałów metalicznych.
Wiązania jonowe - w dążeniu do utworzenia trwałej konfiguracji oktetowej atom pierwiastka elektrododatniego oddaje swoje elektrony atomowi pierwiastka elektroujemnego, przy czym tworzą się jony dodatnie i ujemne. Np.: tworzenie się elektroobojętnej cząstki NaCl - Na++Cl=Na++Cl-. Istotą wiązania jonowego są elektrostatyczne siły przyciągania różnoimiennych ładunków elektr. Cząstka o wiązaniu jonowym elektrycznie obojętna ma 2 różnoimienne bieguny- jest dipolem. Dipole łączą się przeciwnymi biegunami w zespół stanowiący jedną wielką cząstkę. Wiązanie jonowe jest bezkierunkowe, bo siły Coulomba we wszystkich kierunkach mają ta samą wartość. Np.: halogenki, pierw alkaiczne, niektóre tlenki np.: MgO, CaO. (Rys1): ściennie centr., luka oktaedryczna, luka sześcienna.
Wiązania atomowe - atomy pierw. elektroujemnych łączą się w cząstki oddając po jednym (2,3) elektrony „na wspólny użytek” obu atomów. Utworzona para elektronowa przez ustawiczna zmianę pozycji miedzy atomami wytwarza siły przyciągania. Np.: Cl2, O2, N2, H2. Istotą wiązań atomowych są elektrostatyczne siły przyciągania zwane siłami wymiany. Wiązania atomowe niespolaryzowane - nie tworzy się dipol, a w spolaryzowanych się tworzy. W cząsteczce różnych atomach np.: CO, NH3, H2O- jeden z atomów cząstki uzyskuje przewagę ładunku +, a drugi -. Wiązanie to jest kierunkowe. Wiązanie spolaryzowane występuje w związkach organicznych np.: Si, Ce, diament, Sn.
Wiązania metaliczne - atomy w stanie metalicznym oddają część e- walencyjnych stając się rdzeniami atomu. Tworzy się tzw gaz elektronowy gdzie e- poruszają się w sposób bezwładny, analogicznie do cząstek gazu doskonałego. Istotą wiązań metalicznych są elektrostatyczne siły przyciągające miedzy + ładunkiem rdzenia atomowego a - ładunkiem elektronem swobodnym. Jest to wiązanie bezkierunkowe. Np.: pierwiastki elektrododatnie, stopy metali.
Wiązania Van Der Wasala - siły Van der Wasala pochodzą z niewielkich fluktuacji atomowych jąder - są to bardzo słabe siły. Wartość tej siły jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości cząsteczki. Wyst: gazy szlachetne, H2, N2, O2 oraz cząsteczki organiczne. F=1/r7- siła wiązania jest b mała - odwrotnie prop do promienia.
Zasady Pauliego - 1)jony lokują się w lukach oktaedrycznych rk =(0,7-1)ra 2)kation lokuje się w lukach tetradrycznych rk=(0,2-0,4)ra 3)w sieci krystalicznej w wiązaniach jonowych aniony muszą mieć równowagową liczbę atomów, tak aby zachować elektroobojętność, luka potrójna rk<0,2ra. Miedziowce - Cu, Ag, Au - max rozpuszczalność innych pierwiastków jest ograniczona stężeniem elektronowym - steż el max =1,4el/at
Roztwór stały - jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i str krystalicznej typowo metalicznej. Metal, którego atomy występują w przewadze sieci to rozpuszczalnik a drugi to pierw. to rozpuszczone. R-r stały podstawowy - rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu. R-r stały wtórny - rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna. R-r stały podst (graniczny) - jeżeli stężenie składnika rozpuszczonego jest ograniczone w pewnym zakresie. R-r stały podst (ciągły) - nieograniczona rozpuszczalność obu składników w stanie stałym w całym zakresie. Czynniki decydujące o byciu roztworów stałych - 1) elektrowartościowość ujemna - r stałe powstają, gdy różnica elektrowart. jest niewielka (w innym przypadku fazy międzymetaliczne) 2) typ sieci: r-ry stałe ciągłe - ten sam typ sieci obu składników; r-ry stałe ograniczone - inny typ 3) wielkość atomów - całkowita rozpuszczalność atomów występuje gdy stosunek prom atomowego: -ciągłe <1,08, -ograniczone >1,15 4) reguła względnej wartościowości: rozpuszczalność metalu wielowartościowego jednowartościowym jest większa niż na odwrót.W roztworach stałych atomy rozpuszczalnika mogą być rozmieszczane: 1) r-ry stałe międzywęzłowe (Rys2.) - atomy B znajdują się w przypadkowych miejscach, powodują ekspansję sieci, w sieciach A1, A2, A3 są małe przestrzenie międzywęzłowe dlatego mieszczą się tam małe atomy Np.: rozpuszczalniki Fe, Ti, Co, Mo, Ni, W, V. Roztwory międzywęzłowe tworzą r-ry graniczne o rozpuszczalności graniczne zmiennej w zależności od temp. 2) r-ry różnowęzłowe (rys3) - atomy metalu rozpuszczonego zajmują przypadkowe miejsca w węzłach sieci, (rys4) - w zależności od średnicy atomu B -powoduje on ekspansję lub kontrakcję sieci. (rys5)R-ry różnowęzłowe mogą być ciągłe lub ograniczone. R-ry różnowęzłowe mogą tworzyć ze sobą pierwiastki elektrododatnie cechach metalicznych. Np.: Fe,Ti,Co,Mo,Ni,Mn, Mg,Ag,Au,Al,W,V 3) r-ry pustowęzłowe (rys6) w tych roztworach nadmiar atomów jednego pierwiastka jest rezultatem nieobsadzenia pewnej liczy węzłów sieci, należących do innego pierw. Nadstruktury - w niektórych roztworach różnowęzłowych w wyniku wolnego chłodzenia lub wygrzewania w t=const, nieuporządkowany rozkład obu składników zmienia się na uporządkowany. R-r stały charakteryzujący się prawidłowym rozkładem atomów obydwu składników w sieci to nadstruktura powstanie w wyniku przemiany porządek nieporządek Można jej stosunek atomów A i B przypisać wzór: AB, AB3, A3B(rys7). Przykłady nadstruktur: AB - Au-Cu, Ag-Pt, Au-Sn, Cu-Zn, Fe-Sn; AB3 -Au-Cu3, AgPt3, Al-Fe3. Fazy typu NiAs - sieć heksagonalna o charakt ułożeniu (Fe, Co, Ni); szeroka zmiana własności od niemetalu o wiązaniu jonowym do metalicznego np.: arsenki, siarczki, selenki, antymonki, tlenki metali przejściowych. Fazy typu CuAl2 - (przykład bartolitu) tworzy teoretyczny skład ok. 30%Cu - w rzeczywistości atomy Al istnieją w nadmiarze - tworzy się r-r pustowęzłowy.
Fazy międzymetaliczne - sa połączeniami metali lub metali i niemet, wykazują własności metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego. Cechy charakterystyczne - 1)Struktura krystaliczna faz międzymet różni się od strukt każdego ze skł; 2) atomy każdego ze skł wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalograficznej; 3) w oddziaływaniach międzyat występuje przewaga wiązania metalicznego; 4) wartościowość skł przeważnie odbiega od wartościowości w konwencjonalnych związkach. Fazy międzymetaliczne występują w ściśle określonych stężeniach składników stopowych, lub mogą się tworzyć w pewnych zakresach stężeń (r-ry wtórne). Podział: 1) czynnik wielkości atomu, 2)czyn gęstości elektronów 3) czyn elektrochemiczny. Kryteria klasyfikacji faz międzymet o stęż elektr - stosunek liczby elektronów wartościowości do liczby at w komórce element lub czynnika elektrochem uwzględniającego str elektronową skł. Fazy elektronowe - to r-ry stałe wtórne o wyraźnych własnościach metalicznych. Str tych faz warunkują trzy wartości stężeń elektronowych3/2(beta); 21/13(sigma);7/4(epsilon); Fazy elektronowe stanowią wtórne roztwory stałe (często pustowęzłowe). Wykazują nadstrukturę np.:mosiądz beta. O ukształtowaniu ich struktury decyduje gęstość elektronowa, faza beta może występować w 3 rodzajach: 1)A2 - mosiądz 2)regularna-Mn beta 3)A3. przy znacznej różnicy atomów decyduje czynnik wielkości i powstają dwa typy związków: 1)fazy międzywęzłowe 2)fazy substytucyjne(Lavesa). Fazy Lavesa- ogólny wzór- AB2 - ra/ rb=1,225 - Zasada najgęstszego upakowania: (rys8) atomy B tworzą czworościany, A - otaczają czworościany; -wysoka liczba koordynacyjna, - duża gęstość wypełnienia atomami. Fazy L. obejmują 3 typy związków o różnych str: 1) typ MgCu2 ŚR2)typ MgZn2 H 3)typ MgNi2 H złoż. Fazy międzywęzłowe - podział: 1) f. o str prostej, gdy r niemet/r met<=0,59 2)f. o str. złoż, gdy r niemet/r met >0,59. Własności metaliczne: 1)krystalizują w SRŚC i HZ, Hp, RPC 2)w węzłach sieci są atomy metalu np.: M2C, w przestrzeniach międzywęzłowych niemetale np.: C,H,N,B; wodorki, niektóre borki, węgliki i azotki metali przejściowych. Wzory M4X, M2X, MX, MX2; duża twardość, wys. temp top, kruche, odporność chem, dobrze przewodzą prąd. Zastosowanie: 1)budowa stali niskostopowych(dyspersyjne fazy węgliko-azotków) 2)utwardzenie powierzchniowe stali -nawęglanie; -naazotowanie; -naborowanie 3)styki elektryczne. Fazy Zintla - tworzą je nieszlachetne metale grup IA, IIA. Cechy charakt: 1)nie spełniają prawa wartościowości ani reguły stężeń elektronowych, 2)mają wiązanie metaliczne z udziałem atomów 3)stosunek promieni jonowych ~1 do 1- ma wpływ na typ str. TYPY FAZ ZINTLA: 1) typ CsCl - występuje przy znacznych różnicach wielkości atomów, struktura SPRC o własnościach metalicznych(rys9) 2) Typ NaTl - SR złoż - występuje gdy stosunek promieni atomowych ~1 2) typ o wzorze AB3, RSC - A atom mniej szlachetny jest w narożach; stos prom atomowych ~ 1.
Stal - obrobiona plastycznie stop Fe z C i innymi pierwiastkami, zawierający mniej niż 2% C. Stal niestopowa (węglowa)- obrobiony plastycznie techniczny stop Fe z C zawierający mniej niż 2% C. Stal stopowa - stal zawierająca prócz C też inne pierwiastki dodawane w celu otrzymania określonych własności. Stal odporna na korozję - stal zawierająca powyżej 10,5% Cr w roztworze. Stale z mikrododatkami (stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości) - nazwa stali o małej zawartości C (do 0,2%), zwiększonej zawartości Mn (do1,6%) oraz o małej zawartości jednego lub kilku nast. pierw.: Nb, Ti, V, Al., B (do 0,1%). Staliwo - techniczny stop Fe z C zawierający poniżej 2% C, stosowany w stanie odlanym (nieobrobionym plastycznie). Austenit (gamma)- międzywęzłowy roztwór C w Fe gamma (w Fe o strukturze krystalicznej RSC). Martenzyt α - przesycony roztwór C w Fe utworzony podczas bezdyfuzyjnej (martenzytycznej) przemiany austenitu. W ferrycie wykazuje zmienna rozpuszczalność temp. i może być wykorzystywany do utwardzania wydzieleniowego stali. W wyniku oddziaływania z dyslokacjami tworzy wyraźną granicę plastyczności i wywołuje starzenie po zgniocie. Dlatego jest szkodliwy w stalach do głębokiego tłoczenia. Azot można związać z dodatkami Al. i Ti. Powstałe azotki zapobiegają rozrostowi ziarna austenitu Żelazo należy do pierwiastków polimorficznych, do temp. 912 ma sieć A2 i odmiana jest oznaczana jako Fe-α, w zakresie 912-1394° sieć A1 Fe-γ. Temperatura TOPNIENIA 1538°. Punkt Curie żelaza występuje w temp. 770° czyli poniżej żelazo jest ferromagn. a powyżej paramagnetyczne. Występujące przemiany: perytektyczna, eutektyczna, eutektoidalna zachodzą a stałych temp. w określonych zakresach stężeń stopów i mają charakter odwracalny. Układ żelazo-węgiel- dwuskładnikowy układ równowagi utworzony przez Fe i C, krzepnący przeważnie jako układ żelazo cementyt. Przem. eutektyczna. Zachodzi w temp.1154°,polega na wydzielaniu z cieczy o składzie eutektyki złożonej z austenitu drobnego grafitu. Przem. eutektoidalna polega na rozkładzie austenitu na mieszaninę eutektoidalną złożoną z ferrytu grafitu. Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną złożoną z austenitu i cementytu. Powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3%C. Jest składnikiem strukturalnym białych surówek białych. Ledeburyt przemieniony W stopach o zawartości C poniżej 2,11% przem eutektoidalnej podlega też austenit wchodzący w skład eutektyki, w wyniku czego poniżej 727°składa się z perlitu oraz cementytu. Perlit jest mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu o zawartości 0,77%C.Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu. Ferryt jest r-rem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie α. Powstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych, które są spłaszczone. Cementyt - węglik żelaza Fe3C, kruchy i bardzo twardy skł stali białych żeliw białych.
Stal, stop żelaza z węglem (do 2,06% C) i innymi pierw wprowadzonymi w celu uzyskania żądanych własności, najczęściej mechanicznych, technologicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych i in., obrabialny plastycznie, otrzymywany w procesach stalowniczych w piecach martenowskich, tyglowych lub elektrycznych) w stanie ciekłym. W zależności od zastosowanej technologii produkcji rozróżnia się stal: laną (staliwo), kutą (wlewka otrzymywana przez kucie lub prasowanie na gorąco), walcowaną (wlewka uzyskiwana przez walcowanie na gorąco) oraz ciągnioną. Obrobioną plast stal poddaje się obróbce cieplne lub obróbce cieplno-chemicznej. Ze względu na skład chem rozróżnia się stal węglową i stopową (tzw. szlachetną).Stal węglowa poza węglem zawiera jedynie pierwiastki pochodzące z przerobu hutniczego (Si,Mn,S,P,N,O,As). Stal otrzymywana w piecach martenowskich ze złomu może zawierać wszystkie składniki występujące w stalach stopowych, dlatego też ustalone zostały umowne graniczne zawartości pierw dla stali węglowych. Stale zawierające więcej skł stopowych uważane są umownie za stale stopowe. Znajdują się w nich oprócz pierw pochodzących z przerobu hutniczego również pierwiastki wprowadzone celowo dla uzyskania określonych właściwości. Do najczęściej stosowanych składników stali stopowych należą: Ni, Cr, Mn, Si, oraz Co.
Żeliwo, odlewniczy stop żelaza z węglem (zawartość C - 2-4,5%), Si,Mn,P,S i innymi skł, otrzymywany przez stopienie w żeliwiaku surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego i stalowego oraz żelazostopów. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel rozróżnia się żeliwa: szare (węgiel w postaci grafitu), białe (węgiel w postaci węglika żelaza - cementytu) oraz pstre - połowiczne (w pewnych skupieniach węgiel występuje jako grafit, w innych jako cementyt). Dodanie krzemu, niklu i aluminium, jak również powolne chłodzenie sprzyjają wydzielaniu się grafitu, natomiast domieszki manganu i siarki oraz szybkie chłodzenie - tworzeniu się cementytu. Żeliwo szare charakteryzujące się dobrą obrabialnością (skrawaniem), dużą odpornością na ścieranie, małym skurczem odlewniczym i stałością wymiarów. Dzięki tym własnościom jest szeroko stosowane w przemyśle maszynowym (np. kadłuby maszyn, wały, tuleje cylindrowe).Żeliwo białe, bardzo twarde i kruche, słabo obrabialne, używane jest na walce walcarek, utwardzone ruszty kotłowe. Po długotrwałym wyżarzaniu otrzymuje się z niego żeliwo ciągliwe o własnościach zbliżonych do stali. Zależnie od otrzymanej struktury rozróżnia się m.in. żeliwa: modyfikowane (o podwyższonych własnościach wytrzymałościowych dzięki dodaniu modyfikatora, np. żelazokrzemu), sferoidalne (modyfikowane magnezem), austenityczne (austenit), martenzytyczne (martenzyt).W zależności od przeznaczenia rozróżnia się żeliwa: żaroodporne, kwasoodporne, odporne na korozję.