5. BUDOWA STOPÓW

1. Ogólne wiadomości o stopach metali

Tylko nieliczne metale znajdują . bezpośrednie zastosowanie w stanie chemicznie lub technicznie czystym, ze względu na ich niską wytrzymałość. W technice stosuje się głównie stopy metali; mają one wyższe właściwości mechaniczne niż metale czyste, a ponadto mogą wykazywać nowe szczególne właściwości, nie występujące u czystych metali.

Stopy metaliczne mogą być złożone z dwóch lub większej liczby składników, przy czym przynajmniej jeden główny składnik stopu musi być metalem. Wykazują one makroskopo­wo właściwości metaliczne, co wskazuje, że wiązania międzyatomowe w tych stopach są typu metalicznego jako jedynego lub współistniejącego z innymi rodzajami wiązań. Stopy metali znalazły bardzo szerokie zastosowanie w związku z różnorodnymi właściwościami, jakie można uzyskać przez stapianie ze sobą różnych składników. Właściwości stopów zależą nie tylko od ich składu chemicznego, ale też od ich budowy wewnętrznej, tj. struktury. W zależności od ilości 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 ilość masy danego składnika w stosunku do całej masy stopu lub w procentach atomowych, określających procentowy udział atomów poszczególnych składników do ogólnej liczby atomów stopu. Pierwszy sposób wyrażania składu chemicznego stopów znajduje głównie zastosowanie w przemyśle, drugi natomiast w rozważaniach teoretycznych. Wzory na przeliczenie udziałów atomowych na wagowe lub wagowych na atomowe są następujące:

gdzie A oznacza ciężar atomowy składnika A,
— procenty atomowe składnika A, a — procenty wagowe składnika A, B — ciężar atomowy składnika B,
— procenty atomowe składnika B, b — procenty wagowe składnika B.

Najbardziej rozpowszechnioną metodą otrzymywania stopów jest stapianie ze sobą poszczególnych składników wchodzących w skład stopu. Nie jest to jednak jedyny sposób ich uzyskiwania. Stopy można jeszcze otrzymywać przez spiekanie i dyfuzję w stanie stałym (technologia spiekowa) oraz przez kondensację ze stanu gazowego lub przez jednoczesne osadzanie z elektrolitu. Te dwie ostatnie metody nie znalazły dotych­czas szerszego zastosowania w praktyce.

Budowa stopów metalicznych, podobnie jak i czystych metali, jest również krystalicz­na, jednakże w stosunku do budowy czystych metali będzie ona bardziej złożona. Struktura stopów zależeć będzie od sposobu wzajemnego oddziaływania stapianych składników w procesie krystalizacji. Gdy stapiane składniki zupełnie na siebie nie oddziaływają, struktura stopu po jego zakrzepnięciu będzie mieszaniną oddzielnych ziarn obu tych metali, jak to przedstawia rys. 5.1. Stapiane składniki mogą jednak wchodzić między sobą w reakcje chemiczne; powstają wówczas kryształy związków chemicznych i faz międzymetalicznych lub też stapiane metale mogą się wzajemnie całkowicie lub częściowo rozpuszczać, tworząc kryształy roztworów stałych.

Rys. 5.1. Mikrostruktura stopu mieszaniny

W zależności od warunków zewnętrznych, tj. ciśnienia i temperatury, stopy metalicz­ne mogą się znajdować w stanie stałym, ciekłym i gazowym.

2. Stopy metali w stanie ciekłym i gazowym

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, jedną nad drugą, w zależności od ich ciężarów właściwych; metale te w stanie ciekłym będą się zachowywać analogicznie jak np. olej i woda, które zmieszane razem po pewnym czasie zawsze wytworzą dwie warstwy, przy czym górną warstwę stanowić będzie lżejszy olej, a pod nią zbierać się będzie woda.

Zupełny brak rozpuszczalności w stanie ciekłym zdarza się jednak bardzo rzadko. Częściej metale rozpuszczają się w sobie, chociażby w stopniu bardzo nieznacznym. Jeśli 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 podłożu obu metali wchodzących w skład stopu. Na podstawie obecnej wiedzy o ciekłych roztworach metalicznych nie można z góry przewidzieć, czy dwa metale w stanie ciekłym będą się w sobie nieograniczenie rozpusz­czać, czy też ich wzajemna rozpuszczalność będzie ograniczona. Doświadczalnie stwier­dzono jedynie, że metale, których wzajemna rozpuszczalność jest ograniczona, mają średnice atomowe i temperatury topnienia znacznie różniące się od siebie. Należy jednak zaznaczyć, że istnieje wiele par metali o nieznacznie różniących się średnicach atomo­wych, których wzajemna rozpuszczalność w stanie ciekłym jest ograniczona.

3. Roztwory stałe metali

Podobnie jak w stanie ciekłym, również i w stanie stałym występuje zjawisko wzajemnej rozpuszczalności składników tworzących stop. Powstają wówczas kryształy, których sieć przestrzenna zbudowana jest z atomów wszystkich składników wchodzą­cych w skład stopu. Takie właśnie kryształy nazywamy kryształami roztworu stałego. Stopy o strukturze roztworu stałego mają budowę jednorodną, złożoną z kryształów tego samego rodzaju, mających jednakowy typ sieci przestrzennej, jak to przedstawia schemat na rys. 5.2, i pod tym względem nie różnią się od kryształów czystego składnika.

Rys. 5.2. Mikrostruktura roztworu stałego

Różnica pomiędzy roztworem stałym a czystym metalem występuje dopiero w budowie atomowej. Sieć przestrzenna roztworów stałych zbudowana jest z atomów składników stopu w przeciwieństwie do kryształów czystych metali, które zbudowane są tylko z atomów danego pierwiastka. Metal, którego sieć przestrzenna stanowi podstawę struktury stopu, nazywa się metalem rozpuszczalnika. Przy tworzeniu się roztworów stałych sieć przestrzenna metalu rozpuszczalnika zostaje więc zachowana, chociaż ulega ona pewnej deformacji. Jest to zasadnicza cecha roztworów stałych, wyraźnie oddzielająca je od innych faz międzymetalicznych. Roztwory stałe oznacza się zazwyczaj literami greckimi
,
,
,
.

Tylko niektóre metale mogą się w sobie rozpuszczać nieograniczenie. Dla większości metali ta wzajemna rozpuszczalność jest ograniczona. Wówczas gdy zawartość stapia­nych metali nie przekracza granicy ich wzajemnej rozpuszczalności, otrzymuje się również stop o budowie jednorodnej, złożony z kryształów roztworu stałego. Natomiast gdy jeden z metali występuje w ilościach przekraczających jego graniczną rozpuszczal­ność w drugim metalu, wówczas oprócz roztworu stałego pojawi się jeszcze druga faza.

W zależności od sposobu rozmieszczenia atomów w sieci przestrzennej metalu rozpuszczalnika rozróżnia się dwa rodzaje roztworów stałych:

1) roztwory różnowęzłowe (zamienne, substytucyjne),

2) roztwory międzywęzłowe (śródwęzłowe, interstycyjne).

4. Roztwory stałe różnowęzłowe

W roztworach stałych różnowęzłowych atomy metalu rozpuszczonego zastępują atomy metalu rozpuszczalnika w jego sieci przestrzennej, jak to przedstawia rys. 5.3.

Rys. 5.3. Dwuwymiarowa sieć kryształu roztworu sta­łego różnowęzłowego

Atomy rozpuszczonego składnika powodują miejscowe zaburzenia w strukturze sieciowej metalu rozpuszczalnika, wskutek czego w porównaniu z czystym metalem zachodzą zmiany właściwości fizycznych, mechanicznych i chemicznych zarówno w poszczegól­nych kryształach mających zniekształconą sieć przestrzenną, jak i w całym stopie. Jako przykład przedstawiono na rys. 5.4 zmianę właściwości mechanicznych i fizycznych wyżarzonego mosiądzu o budowie roztworu stałego cynku i miedzi.

Rys. 5.4. Właściwości wyżarzonego mosiądzu (wg L. H. Van Placka)

Rys. 5.5. Objętości atomowe niektórych pierwiastków (wg J. Feszczenki-Czopiwskiego)

Główną przyczyną zaburzeń w strukturze sieciowej roztworu stałego jest różnica objętości atomowych składnika rozpuszczanego i metalu rozpuszczalnika. Porównawcze zestawienie objętości atomowych niektórych pierwiastków podano na rys. 5.5. Obce atomy zajmujące miejsce w sieci przestrzennej metalu rozpuszczalnika mogą mieć większą lub mniejszą objętość niż atomy metalu rozpuszczalnika. Wskutek tego sieć przestrzenna metalu rozpuszczalnika ulega odkształceniu. Gdy obcy atom jest nieco większy, komórka sieciowa powiększa się, jak to przedstawia rys. 5.6 a, w przeciwnym zaś "przypadku zmniejsza się, co widać na rys. 5.6 b. Zmiana ta jest w przybliżeniu proporcjonalna do zawartości składnika rozpuszczonego, wyrażonej w procentach atomowych. Zmiana parametrów sieci przestrzennej roztworów stałych jest bardzo ważnym czynnikiem, od którego zależą ich właściwości. Rysunek 5.7 przedstawia wzrost parametrów sieciowych roztworów różnowęzłowych, mających za osnowę najważniejsze metale techniczne, tj. aluminium, miedź i żelazo. Gdy stapiane metale rozpuszczają się w sobie nieograniczenie, mówimy o roztworach stałych ciągłych, a gdy ich wzajemna rozpuszczalność jest ograniczona, tworzą się roztwory stale graniczne.

Rys. 5.6. Zniekształcenie sieci kryształu różnowęzłowego roztworu stałego

Rys. 5.7. Parametry sieci przestrzennej kryształu różnowęzłowych roztworów stałych: a) aluminium, b) miedzi, c) żelaza (wg A. P. Gulajewa)

W roztworach stałych ciągłych można dowolną liczbę atomów metalu rozpuszczal­nika zastąpić atomami metalu rozpuszczanego. Ze wzrostem koncentracji metalu roz­puszczanego wzrasta ilość jego atomów w sieci przestrzennej roztworu i w granicznym przypadku wszystkie atomy metalu rozpuszczalnika mogą zostać zastąpione atomami metalu rozpuszczanego. Można zatem w przypadku zupełnej rozpuszczalności w sposób ciągły przejść od sieci przestrzennej jednego ze składników stopu do sieci przestrzennej drugiego składnika stopu, jak to schematycznie przedstawia rys. 5.8.

Rys. 5.8. Elementarne komórki sieciowe roztworu stałego różnowęzłowego w przypadku nieograniczonej

rozpuszczalności składników

Według W. Hume-Rothery'ego istnieją cztery zasadnicze czynniki wpływające na tworzenie się ciągłych roztworów różnowęzłowych:

1. Czynnik struktury krystalicznej. Oba składniki tworzące roztwór muszą krys­talizować w tym samym typie sieci przestrzennej.

2. Czynnik wielkości atomu. Im bardziej zbliżone są co do wielkości średnice atomowe składników tworzących roztwór, tym większa jest ich wzajemna rozpuszczalność.

3. Czynnik elektrochemiczny. Im bliżej położone są względem siebie dwa metale w układzie okresowym, tym bardziej zbliżone są one do siebie pod względem charakteru elektrochemicznego i tym większa jest ich wzajemna rozpuszczalność. Im bardziej elektrododatni jest jeden ze składników stopu, a bardziej elektroujemny drugi, tym bardziej wzrasta tendencja do tworzenia się pomiędzy tymi składnikami faz między­metalicznych, a nie roztworów.

4. Czynnik wartościowości względnej. Roztwory stałe ciągłe mogą tworzyć jedynie te składniki, które mają jednakową wartościowość. Jest ogólną zasadą, że pierwiastki o dużej wartościowości rozpuszczają się w większym stopniu w rozpuszczalniku o mniej­szej wartościowości niż na odwrót. Zasada ta odnosi się głównie do stopów metali jednowartościowych, jak miedzi, srebra i złota.

Spełnienie wyżej wymienionych warunków jest konieczne, aby możliwe było tworze­nie się roztworów stałych ciągłych; warunki te nie są jednak wystarczające. W licznych przypadkach mimo zachowania wszystkich tych warunków występuje jedynie ograniczo­na rozpuszczalność w stanie stałym, np. miedź, srebro i złoto mają jednakowy typ sieci przestrzennej, zbliżone parametry sieciowe oraz należą do jednej grupy okresowego układu pierwiastków; miedź i złoto oraz srebro i złoto tworzą roztwory ciągłe, natomiast wzajemna rozpuszczalność srebra i miedzi jest ograniczona.

Jeżeli wymienione wyżej warunki nie są spełnione, zachodzi przypadek ograniczonej rozpuszczalności metali. Wzajemna rozpuszczalność metali jest tym mniejsza, im większa jest różnica w rozmiarach atomów i im bardziej są one od siebie odległe w układzie okresowym. W większości przypadków rozpuszczalność zmniejsza się z obniżeniem temperatury.

Praktycznie rozpuszczalność nie występuje w stanie stałym lub jest ona bardzo mała, gdy różnica średnic atomowych, przekracza 15 ÷ 17%, oraz gdy pierwiastki znajdują się daleko od siebie w układzie okresowym. W stopach żelaza nieograniczona rozpuszczal­ność w stanie stałym zachodzi, gdy różnica średnic atomowych nie przekracza 8%; przy różnicy wynoszącej 8 ÷ 15% występuje rozpuszczalność ograniczona.

5. Roztwory uporządkowane

W roztworach stałych różnowęzłowych atomy metalu rozpuszczanego mogą zajmować zupełnie dowolne miejsca w sieci metalu rozpuszczalnika. W niektórych jednak przypadkach w tego rodzaju roztworach, po powolnym chłodzeniu lub wyżarzaniu w określonych temperaturach, następuje przemieszczenie atomów rozpuszczanego składnika w ściśle określone miejsca w sieci przestrzennej metalu, jak to przedstawia rys. 5.9.

Rys. 5.9. Dwuwymiarowa sieć kryształu różnowęzłowego roztworu stałego uporządkowanego

Przemiana ta nazywa się uporządkowaniem. Nie jest to przemiana fazowa, gdyż typ sieci nie ulega zmianie. Roztwory o tego rodzaju uporządkowanej strukturze krystalicznej nazywają się roztworami stałymi uporządkowanymi lub nadstrukturami z tego względu, że w rentgenogramach roztworu z uporządkowanym rozmieszczeniem atomów pojawiają się dodatkowe linie interferencyjne. Przemiany takie zachodzą np. w układzie miedź-złoto oraz miedź-platyna przy 50 i 75% atomów miedzi. Elementarną komórkę sieciową stopu 75% Cu i 25% Au przedstawiono na rys. 5.10. Jest rzeczą widoczną, że atomy złota zajmują miejsca w narożach elementarnego sześcianu, natomiast atomy miedzi rozmieściły się w geometrycznym środku każdej z jego ścian. Stosunek liczby atomów miedzi i złota na jedną elementarną komórkę sieciową wynosi 3 : l i fazę tę można wyrazić wzorem chemicznym Cu₃Au. Rysunek 5.11 przedstawia elementarną komórkę sieciową stopu o składzie 50% Au i 50% Cu, z uporządkowanym rozmieszczeniem atomów. Atomy złota rozmieszczone są w narożach i w środku obu podstaw, atomy miedzi zaś w środku ścian bocznych. Liczbowy stosunek atomów miedzi do złota w elementarnej komórce sieciowej wynosi 1:1 i stąd faza ta oznaczona jest wzorem stechiometrycznym CuAu.

Rys. 5.10. Elementarna komórka siecio­wa uporządkowanego roztworu stałego Cu3Au	Rys. 5.11. Elementarna komórka sieciowa uporząd­kowanego roztworu stałego CuAu

Proces uporządkowania jest procesem dyfuzyjnym; z tego względu wolne ochładzanie sprzyja procesowi uporządkowania. Typ sieci krystalicznej przy uporządkowaniu zostaje zachowany, mogą nastąpić jedynie zmiany parametrów sieciowych oraz nieznaczne zaburzenia sieciowe. Roztwory stałe uporządkowane są trwałe tylko w stosunkowo niskich temperaturach; przy nagrzewaniu do wyższych temperatur, w związku ze wzrastającą energią kinetyczną atomów, przechodzą one w roztwory stale nieuporząd­kowane. Nadstruktury występują głównie w trzech odmianach sieci krystalicznej: w ukła­dzie regularnym płasko centrowanym i przestrzennie centrowanym (Al i A2) oraz w układzie heksagonalnym zwartym (A3). W procesie uporządkowania zmieniają się właściwości fizyczne, mechaniczne i chemiczne roztworów; opór elektryczny właściwy zmniejsza się. W związku ze zmianą parametrów sieciowych następują również zmiany objętościowe. Roztwory stałe uporządkowane mają mniejszą energię swobodną niż nieuporządkowane, są więc fazami bardziej trwałymi.

6. Roztwory stałe międzywęzłowe

Roztwory stałe międzywęzłowe (interstycyjne, śródwęzłowe) tworzą się przez roz­mieszczenie atomów rozpuszczonego pierwiastka w przestrzeniach śródwęzłowych, po­między węzłami sieci rozpuszczalnika, jak to schematycznie przedstawia rys. 5.12. Rozmieszczenie to ma charakter nieuporządkowany. Ponieważ w podstawowych rodza­jach sieci przestrzennej Al, A2 oraz A3 przestrzenie międzywęzłowe są niewielkie, atomy rozpuszczanych pierwiastków muszą mieć znacznie mniejszą objętość od atomów metalu rozpuszczalnika. Z tego względu roztwory stałe międzywęzłowe tworzą się tylko pomiędzy metalami a pierwiastkami o małych średnicach atomowych, jak wodór, tlen, azot, węgiel, bór, których promienie atomowe są mniejsze od 0,1 nm. Roztwory tego rodzaju tworzą się, gdy stosunek średnic atomowych pierwiastka rozpuszczanego i metalu rozpuszczalnika jest mniejszy od 0,59. Z faktu, że roztwory stałe różnowęzłowe tworzą się, gdy stosunek średnic atomowych stapianych metali leży w granicach 0,85 ÷ 1,00, wynika, że w zakresie stosunku średnic atomowych 0,59 ÷ 0,85 tworzenie roztworów stałych jest utrudnione.

Rys. 5.12. Dwuwymiarowa sieć kryształu roztworu stałego międzywęzłowego

Obecność atomów międzywęzłowych w sieci przestrzennej metalu rozpuszczalnika powoduje wzrost jej parametrów sieciowych, na ogół proporcjonalnie do zawartości rozpuszczanego składnika. W przypadku roztworów stałych międzywęzłowych wzajem­na rozpuszczalność składników stopu może być tylko ograniczona, gdyż metal rozpusz­czalnik może pomieścić tylko ograniczoną liczbę atomów składnika rozpuszczanego w swej sieci przestrzennej. Dalsze podwyższanie zawartości rozpuszczanego składnika powoduje powstanie drugiej fazy.

Ważnym w technice roztworem międzywęzłowym jest roztwór stały węgla w żelazie y, zwany austenitem. Atomy węgla w austenicie rozmieszczone są w geometrycznym środku elementarnej komórki sieciowej żelaza y, jak to przedstawia rys. 5.13.

Rys. 5.13. Struktura krystaliczna austenitu

W stopach kilkuskładnikowych możliwe jest równoczesne istnienie roztworu stałego różnowęzłowego i międzywęzłowego, np. w austenitycznych stalach manganowych mangan tworzy z żelazem roztwór różnowęzłowy, natomiast węgiel roztwór międzywęzłowy.

7. Związki chemiczne i fazy międzymetaliczne

W stopach metali oprócz roztworów stałych występują także fazy o odrębnej, w porównaniu z ich składnikami, strukturze sieciowej. Należą do nich związki chemiczne i fazy międzymetaliczne.

Związki chemiczne tworzą się pomiędzy metalami o charakterze silnie elektrododatnim a składnikami o charakterze elektroujemnym. Wiązania atomowe w tych związkach mają głównie charakter jonowy; atomy utrzymywane są w sieci przestrzennej dzięki siłom przyciągania pomiędzy różnoimiennymi jonami. Skład chemiczny tych związków jest stały, ściśle określony wartościowością składników; nie może występować ani nadmiar, ani też niedobór któregokolwiek ze składników. Dlatego zwane są one związkami walencyjnymi. Przykładem tego rodzaju związków jest chlorek sodu, którego sieć przestrzenna zbudowana jest z dodatnich jonów sodu i ujemnych jonów chloru. Związki chemiczne mają określoną temperaturę topnienia i odrębne właściwości fizycz­ne, chemiczne i mechaniczne od tworzących je składników; wykazują one brak plastycz­ności, są twarde i kruche. Tworzenie się związków chemicznych zachodzi najczęściej pomiędzy metalami a pierwiastkami niemetalicznymi, jak np. tlen, chlor czy siarka; występują one w stopach metali jako wtrącenia niemetaliczne.

Poza związkami chemicznymi w stopach metali występują jeszcze fazy między­metaliczne. Stanowią one połączenia metali lub metali z niemetalami, mające metaliczny lub złożony charakter wiązań międzyatomowych i metaliczne w związku z tym właściwo­ści. Fazy międzymetaliczne mają strukturę krystaliczną odrębną od tworzących je składników, uporządkowany układ atomów w sieci przestrzennej oraz odmienne wła­ściwości od tworzących je składników. Znając strukturę sieciową i obsadzenie węzłów komórki elementarnej przez atomy, można określić wzór stechiometryczny danej fazy analogicznie do wzorów związków chemicznych. W związku jednak z charakterem wiązań atomowych fazy międzymetaliczne mają często zmienny skład ilościowy i zakres ich egzystencji nie ogranicza się do ściśle określonego wzorem stosunku liczby atomów, jak to jest w przypadku związków chemicznych. Z tego względu fazy te można traktować jako roztwory stałe na osnowie związków chemicznych i dlatego też noszą one nazwę wtórnych roztworów stałych. W zależności od zawartości poszczególnych składników może wystąpić w elementarnej komórce sieciowej danej fazy międzymetalicznej nadmiar atomów jednego metalu i niedobór atomów drugiego składnika w porównaniu ze stosunkiem liczby atomów wynikającym ze wzoru stechiometrycznego. Ta zmiana liczby atomów może zachodzić w różny sposób. Najczęściej spotykana jest wymiana atomów składowych w węzłach sieci przestrzennej, jak to występuje w roztworach stałych różnowęzłowych; np. faza Cu₅Sn krystalizująca w układzie regularnym o sieci prze­strzennie centrowanej zmienia swój skład w zakresie 15 ÷ 19% atomowych cyny. Fazy międzymetaliczne mogą również zmieniać swój skład analogicznie do tworzenia się roztworów międzywęzłowych; występuje to w związkach metali z niemetalami o małych średnicach atomowych; faza Fe₂N (azotek żelaza) zmienia na tej drodze swój skład chemiczny w zakresie 23 ÷ 33% atomowych azotu.

Rys. 5.14. Roztwór stały pustowęzłowy (FeO)

Trzeci wreszcie sposób zmiany składu chemicznego faz międzymetalicznych polega na pozostawieniu wolnych, nie obsadzonych węzłów sieciowych przez jeden ze skład­ników danej fazy. Istnienie tego rodzaju faz stwierdzono na przykładzie związków FeS, FeSe, FeO. W takich fazach atomy składnika będącego w nadmiarze (w stosunku do składu chemicznego związku) zajmują normalne położenie w węzłach sieci przestrzennej, podczas gdy inne węzły sieciowe, które miały być zajęte przez atomy drugiego składnika, pozostają częściowo nie obsadzone, jak to przykładowo pokazano na rys. 5.14. W związ­ku z tym tego rodzaju fazy noszą nazwę roztworów pustowęzłowych. Do ważniejszych faz międzymetalicznych zalicza się:

1) fazy elektronowe,

2) fazy międzywęzłowe.

8. Fazy elektronowe

W. Hume-Rothery oraz Westgren i Bradley wykryli, że struktura niektórych faz międzymetalicznych zależy od stężenia elektronowego; z tego względu fazy te nazwano fazami elektronowymi lub od nazwiska ich odkrywcy, fazami Hume-Rothery'ego. Tworzą się one pomiędzy metalami dwu grup: Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pd i Pt z jednej strony, a Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si z drugiej strony. Fazy elektronowe cechuje określony stosunek liczby elektronów walencyjnych obu składników do całkowitej liczby atomów stopu, tj. określone stężenie elektronowe, które wynosi 3/2, 21/13 i 7/4. Aby łatwiej zapamiętać, stężenia te określać można także liczbami 21/14, 21/13 oraz 21/12. Każdemu stężeniu elektronowemu odpowiada określony typ sieci przestrzennej, w której dana faza krys­talizuje. Tak więc stężeniu elektronowemu 3/2 odpowiada głównie układ regularny o sieci przestrzennie centrowanej i połączenie to nazywa się fazą
. Przy stężeniu elektronowym równym 21/13 występuje złożona sieć układu regularnego z 52 atomami wewnątrz komórki elementarnej, która nazywa się fazą
. Fazom elektronowym o stęże­niu 7/4 odpowiada sieć heksagonalna zwarta i noszą one wówczas nazwę fazy
. Skład chemiczny faz elektronowych jest zwykle zmienny w szerokich lub w niektórych przypadkach w wąskich granicach. Fazy elektronowe mają odrębną sieć krystaliczną w stosunku do tworzących je składników. Układ atomów w sieci przestrzennej jest nieuporządkowany w wyższych temperaturach; w niższych temperaturach następuje niekiedy uporządkowanie atomów. Fazy elektronowe spotykamy w wielu technicznie ważnych stopach, jak stopy Cu-Sn, Cu-Zn, Fe-Al, Cu-Si, przy czym zazwyczaj w tego rodzaju układach dwuskładnikowych występują wszystkie trzy rodzaje faz elektro­nowych: |
,
oraz
.

9. Fazy międzywęzłowe

Fazy międzywęzłowe stanowią połączenia metali przejściowych z pierwiastkami o małych średnicach atomowych, jak wodór, azot, węgiel oraz bór. Powstają one, gdy stosunek promienia atomu niemetalu do promienia atomu metalu jest mniejszy lub równy 0,59. W fazach międzywęzłowych atomy metali tworzą jedną z prostych sieci przestrzennych, stanowiących jak gdyby szkielet budowy tych połączeń, w przestrzeniach zaś międzywęzłowych rozmieszczone są atomy niemetali tworzących własną sieć składo­wą. Atomy metali tworzą w fazach międzywęzłowych jedną z czterech podstawowych sieci metalicznych: regularną płasko centrowaną (Al), regularną przestrzennie centro­waną (A2), heksagonalną zwartą (A3) oraz heksagonalną prostą.

Skład ilościowy tych faz może być przedstawiony następującymi wzorami stechiometrycznymi:

,

gdzie symbol Me oznacza metal, a X — pierwiastek niemetaliczny.

Wypełnienie luk sieciowych przez atomy niemetalu może być całkowite lub czę­ściowe, co powoduje nadmiar atomów metalu w sieci przestrzennej faz międzywęz­łowych; ich skład chemiczny może być więc z tego powodu w pewnym zakresie zmienny.

Pomimo że w skład faz międzywęzłowych wchodzą atomy niemetali, ich właściwości są typowo metaliczne, a więc mają one metaliczny połysk, dobrze przewodzą ciepło i elektryczność. Temperatura topnienia tych faz jest wysoka, często nawet wyższa od temperatur topnienia odpowiednich metali. Fazy międzywęzłowe mają wysoką twardość, zbliżoną do twardości diamentu oraz są kruche. Do faz międzywęzłowych należą liczne węgliki i azotki występujące w stalach, jak: TiC, WC, Mo₂C, Fe₄N, Fe₂N, WN itd.

Gdy stosunek promieni atomów niemetalu i metalu jest większy od 0,59, powstają związki o skomplikowanej strukturze krystalicznej i o znacznej zazwyczaj liczbie atomów w komórce sieciowej, jak to występuje w niektórych węglikach i borkach.

1

10

---