WYKŁAD 4

Stan stopu i struktura

Struktura metali jest określona przez dwa czynniki. Pierwszym z nich jest stan stopu:

• skład chemiczny metalu - składniki (pierwiastki), które zawiera i ich względny udział wagowy;

• liczba faz i ich względny udział wagowy;

• skład chemiczny każdej z faz;

Drugim czynnikiem jest informacja geometryczna odnosząca się do kształtu i wielkości:

• kształt ziaren (cząstek) każdej z faz;

• wielkość i rozmieszczenie cząstek;

Mając te informacje, jesteśmy w stanie przeanalizować właściwości mechaniczne stopów i wyjaśnić obserwowane duże różnice wytrzymałości. Stan stopów można kreślić na podstawie układów równowagi fazowej. Z tych wykresów można wywnioskować jaka powinna być budowa fazowa stopu w warunkach równowagi.

Stopem nazywamy tworzywo metaliczne, które powstaje w wyniku dodania innych pierwiastków (składników stopowych) do czystego metalu. Stop jest połączeniem metalu z innym metalem lub niemetalem.

Składniki stopu są to pierwiastki, które go tworzą. Stop podwójny zawiera dwa składniki, stop potrójny - trzy, itd.

Faza jest to część objętości stopu o jednorodnych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Skład chemiczny stopu, albo fazy podaje się w:

• Zawartość składnika A w % wagowych

• Zawartość składnika A w % atomowych

i podobnie dla składnika B

Bez względu na to jak został otrzymany, podwójny stop może mieć jedną z czterech struktur:

• pojedynczy roztwór stały,

• dwa rozdzielne występujące roztwory stałe - mieszanina,

• fazy międzymetaliczne (fazy pośrednie) lub ich mieszaniny z roztworami stałymi,

• dwa rozdzielne występujące (mieszanina) w zasadzie czyste pierwiastki.

Stan stopu opisuje się poprzez:

• średni skład chemiczny,

• liczbę faz,

• skład chemiczny każdej z faz,

• udział wagowy poszczególnych faz,

Dany stop znajduje się w stanie równowagi, gdy w stałej temperaturze T i pod stałym ciśnieniem p nie ma tendencji do zmiany tego stanu wraz z upływem czasu. Ten stan jest stanem stabilnym.

Właściwości stopu (naprężenie uplastyczniające, odporność na pękanie, odporność na utlenianie itd.) zależą silnie od stanu stopu i dwóch cech struktury: rozmiaru i kształtu wydzieleń występujących kryształów faz. Cech tych nie opisuje stan stopu. Stan stopu, rozmiary i kształt kryształów poszczególnych faz zależą od obróbki cieplnej, jakiej był poddany stop.

Niezależnymi parametrami stanu lub zmiennymi są T (temperatura), p (ciśnienie) i skład chemiczny.

Wykres równowagi faz (układ równowagi faz, układ równowagi) jest to wykres, na którego osiach znajdują się T i X_B lub W_B. Na tym wykresie każdy punkt obrazuje zbadany doświadczalnie stan równowagi stopu dla każdej pary parametrów T i X_B lub W_B.

α - roztwór ołowiu w cynie Sn(Pb) - roztwór stały na bazie cyny

β - roztwór cyny w ołowiu Pb(Sn) - roztwór stały na bazie ołowiu

L - ciecz

Wykres pokazuje stan równowagi dla wszystkich stopów podwójnych, które mogą być wytworzone z ołowiu i cyny we wszystkich możliwych proporcjach lub krótko mówiąc dla układu ołów-cyna.

Obszary białe są obszarami jednofazowymi: cieczy lub roztworu stałego (α lub β). W obszarze jednofazowym stop składa się z jednej, jednorodnej fazy. Skład fazy jest taki sam jak skład stopu. Skład fazy i skład stopu pokrywają się w obszarach jednofazowych.

W żółtych polach mamy do czynienia z obszarami dwufazowymi. W obszarze dwufazowym stop jest mieszaniną dwóch faz, których skład różni się od składu stopu (chociaż średnia składów dwóch faz musi być równa składowi stopu).

Jak „czytać” wykresy równowagi faz stopowych?

Pierwszą pomocą przy ich interpretacji jest reguła faz Gibbsa, zgodnie z którą:

z = s - f + 2

gdzie: z - liczba stopni swobody, lub liczba zmiennych niezależnych,

s - liczba składników tworzących stop,

f - liczba faz istniejących w równowadze w rozpatrywanej temperaturze

Jeśli ciśnienie p jest stałe jak to ma zazwyczaj miejsce w przypadku układów ciał stałych, to reguła przyjmie postać:

z = s - f + 1

Jeśli:

z=0, układ jest niezmienny, tzn. dla zachowania równowagi układu nie mogą zmienić się ani temperatura ani skład chemiczny żadnej z faz.

z=1, układ jest jednozmienny, tzn. by nie zakłócić równowagi układu może zmienić się dowolnie co najwyżej jeden z parametrów, tj. temperatura albo stężenie jednej z faz.

z=2, układ jest dwuzmienny co oznacza, że układ pozostaje w równowadze nawet wówczas gdy zmienia się i temperatura i skład chemiczny jednej fazy.

Układ jednoskładnikowy zmienne p i T

Układ podwójny zmienne p, T i X_B

Skład faz

Stop zawierający 50% wag. ołowiu w temperaturze 170˚C

Stop zawierający 80% wag. ołowiu w temperaturze 270˚C

Stop ten w stanie równowagi jest mieszaniną dwóch faz i zawiera cząstki α i β - faza α zawiera 2% ołowiu (i 98% cyny), a faza β zawiera 85% ołowiu (i 15% cyny).

Roztwór stały β zawiera 89% ołowiu (i 11% cyny), ciecz L zawiera 67% ołowiu (i 33% cyny).

• Jeśli punkt opisujący stan stopu leży w obszarze dwufazowym to w obszarze tym stop składa się z mieszaniny dwóch faz. Skład każdej fazy może być określony przez utworzenie izotermy przebiegającej przez cały obszar dwufazowy i przecinającej linie ograniczające dany obszar. Końce utworzonego odcinka wyznaczają skład faz.

• Dowolny stop, którego skład jest opisany na izotermie przebiegającej przez dany obszar dwufazowy, jest mieszaniną tych samych faz (o tym samym składzie). Natomiast udział każdej fazy zależy od składu stopu. Całkowity skład stopu pozostaje niezmieniony.

• Skład faz w obszarze jednofazowym jest taki sam jak skład stopu.

Względny udział faz w stopie dwufazowym

Udział faz w stopie określamy na podstawie „reguły dźwigni”

• Udział fazowy roztworu α (w stopie o zawartości 50% ołowiu i w temperaturze 170˚C) = = ST/RT

• Udział fazowy roztworu β (w stopie o zawartości 50% ołowiu i w temperaturze 170˚C) = = RS/RT

• Udział masowy fazy stałej β (w stopie o zawartości 80% ołowiu i w temperaturze 270˚C) = XY/XZ

• Udział masowy cieczy L (w stopie o zawartości 80% ołowiu i w temperaturze 270˚C) = = YZ/XY

Krzywe chłodzenia

Krzywa chłodzenia powstaje gdy podczas chłodzenia układu (stopu lub czystego składnika) rejestrowania jest temperatura w funkcji czasu.

Dla układu jednoskładnikowego przemiany fazowe zachodzą w temperaturze topnienia i parowania czystego pierwiastka.

Gdy zachodzi przemiana fazowa, wtedy utajnione ciepło przemiany jest wydzielane (w czasie chłodzenia) lub pochłaniane (w czasie nagrzewania). Z tego powodu temperatura w czasie przemiany pozostaje prawie stała, co daje poziome odcinki na wykresie. Chłodzenie zachodzi dalej dopiero wówczas, gdy przemiana jest zakończona.

• Krzepnięcie stopu o składzie c_o rozpocznie się w temperaturze T_K, wyznaczonej przez punkt przecięcia linii pionowej reprezentującej stan stopu z linią likwidus.

• W punkcie tym istnieje równowaga między fazą ciekłą o składzie c_L = c_o, a fazą stałą o składzie c_S, wyznaczonym przez punkt przecięcia izotermy T_K z linią solidus.

• Skutkiem zamiany pewnej objętości cieczy o składzie c_L = c_o w fazę stałą o składzie c_S, w tym wypadku uboższą w składnik B, jest pozostawienie nadmiaru składnika B w cieczy.

• Oznacza to wzbogacenie jej w składnik B a więc przesunięcie składu stopu w kierunku na prawo - punkt T.

• Ciekły stop o „nowym” składzie może krzepnąć dopiero po obniżeniu temperatury do punktu wyznaczonego, podobnie jak poprzednio - przez przecięcie linii pionowej określającej skład „nowego” stopu z linią likwidus.

• Tym samym kolejna objętość cieczy zakrzepnie w postaci fazy stałej, ale już o nieco innym składzie chemicznym niż poprzednio, w tym wypadku - c_S1.

• Jeśli potraktować krzepnięcie rozważanego stopu jako proces krokowy i dążyć z wielkością tego kroku do zera, to łatwo zauważyć, iż skład chemiczny ciekłego stopu będzie zmieniał się wzdłuż linii likwidus, podczas gdy skład powstającej fazy stałej wzdłuż linii solidus. Czyli w czasie chłodzenia stopu dwufazowo następuje zmiana składu faz.

Przemiany fazowe

Jeśli skład faz zmienia się wraz ze zmianą temperatury, to mówimy, że zachodzi przemiana fazowa.

Chłodzenie bez przemiany fazowej ma miejsce w następujących przypadkach:

• W polu jednofazowym,

• Gdy obie linie granic fazowych, z każdej strony punktu określającego stan stopu, są pionowe.

Przemiana fazowa zachodzi w czasie chłodzenia wówczas, gdy punkt określający stan stopu leży w obszarze dwufazowym i przynajmniej jedna linia granicy fazowej nie jest pionowa.

Z nasyconych kryształów β o zmieniającym się składzie chemicznym wzdłuż linii 1-2 wydzielają się przy chłodzeniu kryształy α o zmieniającym się składzie wzdłuż linii 3-4. Tego rodzaju kryształy roztworu stałego w odróżnieniu od kryształów pierwotnych zwą się kryształami wtórnymi.

Przemianę Ciecz → α + β nazywamy przemianą eutektyczną. Przemiana eutektyczna jest przemianą, w której udział biorą trzy fazy. Podczas przemiany, w czasie chłodzenia, ciecz przemienia się w dwie fazy stałe jednocześnie.

Przemiana eutektoidalna jest przemianą, w której biorą udział trzy fazy. Podczas chłodzenia faza stała przemienia się w dwie inne fazy stałe jednocześnie. γ → α + β

Przemiana perytektyczna jest przemianą, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy (jedna z nich ciekła) przemieniają się w jedną fazę stałą. L + α → β

Przemiana perytektoidalna to przemiana, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy stałe reagują ze sobą i powstaje jedna - nowa faza stała. α + β → γ

Krzywe studzenia stopów w układzie z perytektyką

8

1

---