Mnóstwo przeprowadzonych doświadczeń wskazuje, iż liczne właściwości materiałów metalicznych, szczególnie mechaniczne, magnetyczne, jak i podatność na określone zabiegi technologiczne silnie zależą od struktury. Również przebieg niektórych przemian fazowych wykazuje różnice uwarunkowane wyjściową strukturą fazy macierzystej.
Wyróżniamy trzy poziomy opisu struktury:
a) Chronologicznie najwcześniejszy, w najmniejszej skali mikroskopowej. Opis struktury uwzględnia kształt, wielkość i orientację ziarn, w materiałach wielofazowych ponadto rodzaj faz, ich udział objętościowy i wzajemne usytuowanie ich ziarn, rozmieszczenie zanieczyszczeń oraz ewentualne wady materiałowe, jak pory, pęknięcia, wtrącenia niemetaliczne i ich rozmieszczenie. Ważna jest ocena jednorodności struktury: jednolitej wielkości ziarna, w strukturach wielofazowych ewentualnej segregacji faz, wreszcie braku lub obecności wad materiałowych. Wymienione cechy składają się na tzw. mikrostrukturę materiału. Mikrostrukturę można obserwować na przygotowanych powierzchniach lub przekrojach próbek, przy użyciu mikroskopu świetlnego (mikrostruktura) albo okiem nieuzbrojonym (makrostruktura). W szczególnych przypadkach struktur bardzo drobnodyspersyjnych można wykorzystywać elektronowy mikroskop prześwietleniowy i technikę replik. Statystycznie uprzywilejowaną orientację ziarn określa się metodą dyfrakcji rentgenowskiej.
Dokładny opis mikrostruktury może umożliwić identyfikację materiału, a zawsze pozwala ocenić jego stan technologiczny. W odniesieniu do licznych stopów mikrostruktura pozwala ocenić poprawność wykonania np. obróbki cieplnej.
b) W większej skali — mikroskopowej — rozpatruje się w obrębie kryształu lub ziarna metalicznego rozmiary i orientację bloków, ich granice (podgranice), następnie defekty struktury, jak wakanse i ich skupienia, atmosfery atomów obcych, dyslokacje, błędy ułożenia, wreszcie granice domen magnetycznych lub elektrycznych. Całokształt wymienionych cech składa się na tzw. podstrukturę albo strukturę rzeczywistego kryształu.
Wykorzystanie elektronowego mikroskopu prześwietleniowego i techniki folii umożliwia bezpośrednią obserwację granic wąsko- i szerokokątowych, dyslokacji, błędów ułożenia, a nawet skupisk wakansów. Orientację bloków wyznacza się metodami dyfrakcji rentgenowskiej.
Podstrukturę trudno jest ściśle określić. Najczęściej stosowane wskaźniki ilościowe podają stężenie wakansów i gęstość dyslokacji oraz wielkość i orientację bloków. Do pełnego opisu podstruktury jest to jednak zbyt mała liczba informacji.
c) Wreszcie w największej skali — podmikroskopowej — rozpatruje się rozkład przestrzenny atomów, ich uporządkowanie bliskiego i dalekiego zasięgu, typ, symetrię i orientację sieci przestrzennej, rodzaj komórki zasadniczej, jej wymiary wreszcie. Całokształt wymienionych cech materii składa się na tzw. strukturę krystaliczną.
Konwencjonalne- metody badawcze w zasadzie nie umożliwiają bezpośredniej obserwacji poszczególnych atomów (co najwyżej pewnych zgrupowań atomów, np. stref GP I w stopach Al-Cu). Metody dyfrakcji rentgenowskiej i elektronowej pozwalają jednak poprzez interpretację obrazów dyfrakcyjnych określać: typ i symetrię sieci przestrzennej, jej orientację oraz mierzyć z dużą dokładnością stałe sieciowe komórki zasadniczej.

Wymienione trzy „poziomy” klasycznego opisu struktury nie eliminują jeden drugiego, lecz przeciwnie są względem siebie komplementarne. Bowiem pełna charakterystyka materiału powinna zawierać rozpoznanie jego struktury krystalicznej, najważniejsze cechy podstruktury i mikrostruktury, a ponadto skład chemiczny materiału lub faz w nim występujących.
Warto tutaj podkreślić, iż struktura krystaliczna jest charakterystyczną cechą materiału, a jej zmiana jest możliwa tylko w przypadku materiałów podlegających przemianom alotropowym. Natomiast podstruktura i mikrostruktura są kształtowane przez procesy technologiczne wytwarzania i przetwarzania materiału.
Mikrostruktura materiałów krystalicznych określa rodzaj, liczbę, typ, budowę, kształt, udział objętościowy i rozmieszczenie faz oraz rodzaj, gęstość i rozmieszczenie defektów struktury krystalicznej, które w większości przypadków są termodynamicznie nierównowagowe.

Wpływ komórki:

Większość metali krystalizuje w układach krystalograficznych charakteryzujących się wysoką symetrią i dużą gęstością zapełnienia sieci przestrzennej atomami, w szczególności w sieciach:
• A1 - ścienne ( 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. Jeśli komórka ma większą liczbę kordynacji tym plastyczność metalu który się na niej opiera jest większa. Z tego wynika, że metale o strukturze A1 lk.=12 najłatwiej poddają się obróbce plastycznej, później jest HZ lk. = 6+6 i na końcu A2 lk. = 8 .



Stosowane metale i stopy mogą przyjmować różną formę : roztworów stałych ciągłych, roztworów pierwotnych opartych na komórce czystego metalu, roztworów wtórnych opartych na komórce fazy międzymetalicznej, mieszanin eutektycznych, perytektycznych itd. Każda z tych form charakteryzuje się odmienną strukturą i co za tym idzie innymi właściwościami. Najłatwiejsza do zauważenia jest tutaj ilość faz, która jak się okazuje ma duże znaczenie.

Wpływ liczby faz:

Struktury jednofazowe mają metale techniczne, fazy międzymetaliczne oraz stopy dwu- i wieloskładnikowe o budowie roztworów stałych (pomijając we wszystkich przypadkach wtrącenia zanieczyszczeń). Podstawowymi cechami struktur jedno fazowych w stanie równowagi są:
— struktura krystaliczna, w tym stała sieciowa,
— wielkość ziarna,
— skład chemiczny materiału (fazy).
Struktura jednofazowa w stanie równowagi składa się z ziarn równoosiowych, jednakowej wielkości. Na obrazie mikroskopowym ziarna różnią się zabarwieniem. Ich przypadkowa orientacja w masie stopu sprawia, iż płaszczyzna zgładu przecina poszczególne ziarna w różnych płaszczyznach krystalograficznych. Anizotropia pojedynczych ziarn prowadzi do odmiennej intensywności działania odczynnika na różne płaszczyzny krystalograficzne, czyli do różnego ich zabarwienia.
Wpływ struktury danego materiału na jego właściwości sprowadza się do działania wielkości ziarn i ich orientacji. Im mniejsza jest średnia wielkość ziarna, tym większa jest granica plastyczności, wytrzymałość i twardość, natomiast mniejsza plastyczność materiału. Jeśli chodzi o oriętacje statystycznie uporządkowana orientacja krystalograficzna ziarn, tj. tekstura, ogólnie jest szkodliwa. Powoduje, bowiem anizotropię właściwości, zwłaszcza mechanicznych tak niepożądaną przez konstruktorów.
Istotny wpływ na właściwości ma niejednorodność materiału. W strukturze jednofazowej polega ona najczęściej na zróżnicowanej wielkości ziarna wywołanej np. nierównomiernym odkształceniem plastycznym na przekroju albo rekrystalizacją wtórną. Niejednakowa wielkość ziarna pogarsza właściwości mechaniczne, a może też powodować wyraźną kruchość materiału. W przypadku roztworu stałego niejednorodność struktury może polegać na segregacji dendrytycznej, tj. zróżnicowaniu składu chemicznego w obrębie ziarn i pomiędzy nimi, pogarszającej w pewien sposób właściwości mechaniczne. Niejednorodność struktury może również wynikać z jakości materiału, tj. obecności mikro- i makropęknięć, porów lub wtrąceń niemetalicznych. Wady takie bardzo wyraźnie pogarszają właściwości wytrzymałościowe. Działając jako koncentratory wywołują na po wierzchni lub wewnątrz przekroju spiętrzenia naprężeń silnie zmniejszające wytrzymałość statyczną, a zwłaszcza zmęczeniową.
Struktury dwufazowe mają stopy metali o budowie mieszanin składników lub roztworów stałych. Najważniejszymi cechami struktur dwufazowych w stanie równowagi są:
— struktura krystaliczna i skład chemiczny obu faz,
— udział objętościowy obu faz,
— kształt i sposób rozmieszczenia ziarn obu faz.
Struktura dwufazowa w stanie równowagi składa się z ziarn dwóch rodzajów o bardzo różnych kształtach. Ziarna każdej fazy odmiennie reagują na odczynnik stosowany do trawienia zgładu, toteż na obrazie mikroskopowym mają odmienne zabarwienie.
Wpływ struktury na właściwości danego materiału jest złożony. Każda z faz składowych ma odrębne właściwości, toteż właściwości materiału stanowią w pewnym sensie wypadkową obu faz. Decydujące znaczenie ma udział poszczególnych faz w strukturze oraz ich kształt geometryczny, natomiast wielkość ziarn ma mniejsze znaczenie. Wyraźny wpływ wywiera również niejednorodność struktury. Objawia się ona głównie segregacją strefową tj. nierównomiernym rozmieszczeniem ziarn poszczególnych faz, natomiast zróżnicowanie wielkości ziarna określonej fazy w stopach dwufazowych występuje rzadziej.
Porównanie struktur jedno- i dwufazowych wypada zdecydowanie na korzyść pierwszej w zakresie odporności na korozję elektrochemiczną. W strukturach dwufazowych sąsiedztwo ziarn różnych faz stanowi potencjalne mikroogniwo, co jest głównym powodem mniejszej odporności korozyjnej. W zakresie właściwości mechanicznych trudno jest mówić o zdecydowanej wyższości, bowiem ogólnie struktury jednofazowe odznaczają się większą plastycznością, a struktury dwufazowe — większą wytrzymałością.



Wpływ kształtu ziarna:

W strukturach jednofazowych w stanie równowagi ziarna mają kształt poliedryczny, natomiast struktury dwufazowe, jak już wspomniano, można zaliczyć do jednego z pięciu typów: ziarnistego, płytkowego, kulkowego, iglastego i dyspersyjne go. Struktury rzeczywiste często nie mają wyraźnych cech określonego typu. Uważa się, że zniekształcenie jest spowodowane warunkami krzepnięcia, a częściej — zanieczyszczeniami stopu.
Struktura ziarnista składa się z równoosiowych ziarn obu faz w przybliżeniu jednakowej wielkości rozmieszczonych w sposób statystycznie nie uporządkowany. Przykładem struktury ziarnistej jest dwufazowy mosiądz (o zawartości 38 ÷48% Zn). Przy założeniu równomiernego rozkładu ziarn obu faz, właściwości stopu zależą od wielkości ziarna. Gruboziarnistość często powoduje kruchość i nieco zmniejsza wytrzymałość.
Struktura płytkowa składa się z przypadkowo zorientowanych pęków (kolonii) na przemian ułożonych płytek jednej i drugiej fazy. Strukturą taką odznaczają się stopy o składzie mieszanin eutektycznych lub eutektoidalnych, pod warunkiem dostatecznej czystości. W przypadku tworzenia się struktury w warunkach izotermicznych grubości każdego rodzaju płytek są praktycznie jednakowe. Klasycznym przykładem struktury płytkowej jest występująca w stopach żelaza mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, zwana perlitem. W strukturach płytkowych często obie fazy różnią się wyraźnie wytrzymałością i twardością. W takim przypadku właściwości stopu zależą od dyspersji płytek. W miarę wzrostu dyspersji (zmniejszania grubości płytek) powiększą się twardość i wytrzymałość stopu, a nieco zmniejsza kruchość.
Struktura kulkowa składa się w przybliżeniu z jednakowej wielkości kulistych wydzieleń jednej fazy, rozmieszczonej równomiernie w ziarnistej osnowie drugiej. Przykładem takiej struktury jest cementyt kulkowy w stalach średnio i wysokowęglowych. Strukturę kulkową często otrzymuje się przez długotrwałe wygrzewanie stopu o strukturze płytkowej, jak to jest w przypadku perlitu. Następuje wówczas koagulacja płytek jednej fazy (cementytu), a koalescencja płytek drugiej (ferrytu). I w tym przypadku właściwości stopu wykazują analogiczną jak w strukturze płytkowej zależność od dyspersji. Ponadto segregacja kulistych wydzieleń jednej fazy objawiająca się nierównomiernie rozłożonymi skupieniami, a zwłaszcza pasmami wydzieleń, pogarsza właściwości, powodując kruchość, a nawet anizotropię wytrzymałości i wyraźniejszą plastyczności. Przy jednakowym składzie stop o strukturze płytkowej odznacza się większą wytrzymałością i twardością, natomiast o strukturze kulkowej — wyraźnie większą plastycznością.
Struktura iglasta składa się z mniej lub więcej wyraźnych igieł jednej fazy rozmieszczonych w ziarnistej osnowie drugiej fazy. Przykładem takiej struktury jest np. zaeutektyczny stop Al-Si. Struktura iglasta, zwykle twarda i krucha, jest na ogól niepożądana. Struktury iglastej można niekiedy uniknąć, stosując odlewniczy zabieg modyfikacji. Powiększenie liczby zarodków krystalizacji powoduje tak silne rozdrobnienie fazy iglastej, że nabierają one kształtu drobnych, praktycznie równo osiowych ziarn.
Wreszcie struktura dyspersyjna (rys. 14. składa się z bardzo drobnych, praktycznie kulistych, wydzieleń jednej fazy (często fazy międzymetalicznej) równo miernie rozłożonych (wydzielanie ciągłe) w osnowie ziarn drugiej fazy (roztworu stałego). Struktura taka powstaje w wyniku wydzielania się fazy przesycającej Z roztworu stałego, np. Al-Cu, Al-Mg i in. Struktura dyspersyjna poprzez blokowa nie dyslokacji działa umacniająco, powiększając wyraźnie wytrzymałość i twardość, kosztem pewnego zmniejszenia ciągliwości stopu. Dlatego struktura dyspersyjna często jest wywołana zabiegiem obróbki cieplnej utwardzania dyspersyjnego. Segregacja wydzieleń, np. skupienie ich na granicach ziarn osnowy (wydzielanie nieciągłe), może powodować znaczną kruchość stopu.




Wpływ stanu technologicznego:

Procesy technologiczne w charakterystyczny sposób modyfikują strukturę, wpływając w rezultacie na właściwości materiału.

Struktura odlewu odznacza się gruboziarnistością i często objawami przegrzania, a ponadto znaczną ilością wad materiałowych, jak pory, pęcherze gazowe, rzadzizny materiałowe. W szczególnych przypadkach transkrystalizacji, tj. bardzo rozwiniętej strefy ziarn słupkowych, stop może wykazywać anizotropię właściwości.
Przegrzanie może również objawiać się selektywnym rozrostem ziarn określonej fazy, jak to występuje w stopach łożyskowych — babbitach cynowych (SnSbCu).
Struktury odlewów, nawet pozbawione silnych objawów przegrzania, mają słabą wytrzymałość. Przyczyną są wady materiałowe zmniejszające czynny przekrój, a ponadto koncentrujące naprężenia. W przypadku roztworów stałych dodatkową przyczyną jest segregacja dendrytyczna stopu.
Wady struktury odlewu można w znacznym stopniu zmniejszyć, a niekiedy nawet całkowicie usunąć zabiegami obróbki cieplnej. Segregację dendrytyczną znacznie zmniejsza wyżarzanie ujednorodniające. Podczas ujednorodniania zmniejsza się twardość i jej ustabilizowanie sygnalizuje zakończenie procesu.
Wad materiałowych (pory, rzadzizny itp.) nie można usunąć obróbką cieplną, podobnie jak gruboziarnistości stopów nieżelaznych, a tylko obróbką plastyczną na gorąco. Dostatecznie silny gniot powoduje też rozdrobnienie struktury. Obróbka cieplna i plastyczna zmieniając strukturę odlewu powiększa jej wytrzymałość statyczną i zmęczeniową, a nieznacznie zmniejsza twardość i usuwa kruchość.

Struktura materiału odkształconego plastycznie na zimno zależy od stopnia gniotu. Niewielkie i średnie gnioty powodują wydłużenie ziarn. Wtrącenia niemetaliczne plastyczne, np. siarczki żelaza w stali, zostają odkształcone i rozciągnięte w kierunku największego wydłużenia, natomiast twarde i kruche, np. tlenki lub węgliki w stali, zostają rozkruszone i również rozciągnięte w tym samym kierunku. Opisane zmiany prowadzą do utworzenia tzw. struktury włóknistej. Duży gniot doprowadza do pękania wydłużonych ziarn — następuje ich tzw. fragmentacja. Utworzone okruchy ziarn ulegają przemieszczeniom — obrotom — przyjmując uprzywilejowaną orientację krystalograficzną, zbliżoną do kierunku największego odkształcenia. Tworzy się w ten sposób tekstura odkształcenia, objawiająca się anizotropią właściwości.
Obróbka plastyczna na zimno, jak już wspomniano, powoduje umocnienie materiału, proporcjonalne do gniotu, a dostatecznie silne odkształcenie ponadto powoduje anizotropię właściwości.
Obróbka plastyczna na gorąco usuwa nieciągłości materiału, typowe dla odlewu, oraz zmniejsza wielkość ziarna. W rezultacie poprawia właściwości mechaniczne.

Metale polikrystaliczne, zwłaszcza drobnoziarniste, nie wykazują anizotropij dzięki przypadkowej orientacji krystalograficznej poszczególnych ziarn. Duże ziarna wyraźniej przejawiają swoje indywidualne cechy, toteż metale gruboziarniste mogą odznaczać się śladową anizotropią, objawiającą się pewnym rozrzutem wyników. Sytuacja ulega zmianie, jeżeli metal polikrystaliczny jest steksturowany. Uprzywilejowana orientacja większości ziarn powoduje anizotropię, zarówno materiałów grubo- jak i drobnoziarnistych.
Tekstura odkształcenia plastycznego jest szczególnie wyraźna w przypadku blach i drutów. Typowe tekstury odkształcenia kilku metali podano w tabl. 14.1. Tekstura materiałów konstrukcyjnych ogólnie jest niepożądana. Ponieważ rekrystalizacja nie usuwa całkowicie tekstury, pozostającej jako tzw. tekstura rekrystalizacji, dla blach i taśm dopuszczalną anizotropię ustalono umownie
Najbardziej pożądana jest struktura ujednorodniona, ponieważ zapewnia optymalne właściwości materiału.
Dla struktury ujednorodnionej uprzywilejowaną geometrycznie formą są ziarna poliedryczne. Statystycznie nieuporządkowana orientacja ziarn i dominujący poliedryczny kształt zapewniają izotropię właściwości.
Spośród struktur ujednorodnionych najbardziej pożądane są struktury drobno ziarniste, z powodu większej wytrzymałości i twardości, przy braku kruchości i niewielkim rozrzucie wyników prób właściwości mechanicznych. Struktury grubo ziarniste są na ogół niepożądane, ponieważ często są kruche, a ponadto mają mniejszą wytrzymałość i twardość oraz powodują rozrzut wyników prób mechanicznych

Wpływ struktury na właściwości fizyczne:.

W stopach znajdujących się w stanie równowagi właściwości fizyczne, np. przewodność elektryczna, zależą głównie od rodzaju występujących faz, ich składów chemicznych oraz udziałów w stopie. Właściwości mechaniczne, takie jak: wytrzymałość, granica plastyczności, moduł sprężystości, wydłużenie, przewężenie, twardość, poza wymienionymi czynnikami zależą również od ziarnistości faz, ich rozmieszczenia i kształtu ziarn. Ponadto właściwości mechaniczne zależą od defektów struktury krystalicznej: stężenia wakansów, a zwłaszcza gęstości i ruchliwości dyslokacji. Wreszcie pewne właściwości fizyczne (przewodność elektryczna, siła termoelektrycz na, przenikalność magnetyczna) silnie zmniejsza odkształcenie materiału.
Metale techniczne (mikrostruktura jednofazowa) dzięki stosunkowo dużej różni cy naprężeń między granicą plastyczności a wytrzymałością ogólnie odznaczają się znaczną ciągliwością przy małej wytrzymałości i twardości. Na ogół mają dobrą przewodność elektryczną i cieplną oraz znaczną odporność na korozję.
Stopy o jednofazowej mikrostrukturze roztworów stałych zachowują typ sieci przestrzennej metalu — rozpuszczalnika. Obsadzenie sieci przez dwa rodzaje atomów, różniących się promieniami, powoduje w sieci roztworu, w porównaniu
siecią metalu rozpuszczalnika, zakłócenia rozkładu sił międzyatomowych i deformację sieci wywołującą naprężenia własne. Dlatego roztwory stałe, w porównaniu czystymi metalami, odznaczają się większą twardością i wytrzymałością, przy na ogół dobrej ciągliwości. Natomiast przewodność elektryczna i cieplna oraz odporność na korozję roztworów stałych są zwykle gorsze niż metali.
Skład ziarn roztworu stałego ulega analogicznej zmianie jak skład stopu. Wobec tego zależność określonej właściwości od składu stopu ma charakter krzywej ciągłej z szerokim ekstremum (np. maksimum dla twardości, minimum dla przewodności
cieplnej). Cechą charakterystyczną roztworów stałych jest szczególnie wyraźna
zmiana właściwości w zakresie małych stężeń Na przykład dodatek do
miedzi 0,9 ÷ 1.0% Cd powiększa wytrzymałość na rozciąganie roztworu stałego ze
195 do 490 MPa, tj. o 150%.
W stopach o dwufazowej strukturze mieszaniny składników lub roztworów stałych nasyconych skład każdej fazy jest stały, a zmianie proporcjonalnej do składu stopu ulega tylko udział tych faz. Wobec tego właściwości mieszaniny składników lub roztworów stałych zmieniają się liniowo ze zmianą składu. Właściwości mechaniczne uzależnione dodatkowo od wielkości ziarna i wzajemnego ich ułożenia w większym stopniu niż właściwości fizyczne, mogą wykazywać pewne odchylenia od liniowego przebiegu. Tak na przykład twardość lub wytrzymałość, szczególnie silnie uzależnione od dyspersji, w licznych mieszaninach wykazują maksimum przy składzie eutektycznym lub eutektoidalnym dzięki drobnoziarnistości takich struktur.
Fazy międzymetaliczne mają na ogól struktury bardziej złożone, o mniejszej symetrii, od metali i ich roztworów. Z tego powodu są mniej plastyczne, twardsze L bardziej kruche. Również ich cechy fizyczne i chemiczne są odrębne od cech ich składników. Dlatego w układach z fazami międzymetalicznymi ich składom stechiometrycznym z reguły odpowiadają ekstrema właściwości, np. maksimum twardości i minimum przewodności elektrycznej. Te ekstrema są tym wyraźniejsze, im węższy jest zakres stężeń trwałości fazy międzymetalicznej.

---