22211 IMG)6 297 (2)

14

WPŁYW MIKROSTRUKTURY NA WŁAŚCIWOŚCI STOPÓW

14.1. DEFINICJA MIKROSTRUKTURY

Definicja mikrostruktury ulegała ewolucji wraz z rozwojem nauki o materiałach. Na tę ewolucję początkowo wpływał rozwój technik badawczych, umożliwiający bezpośrednią obserwację coraz subtelniejszych elementów mikrostruktury, a następnie wykorzystanie termodynamiki w zagadnieniach teoretycznych nauki o materiałach.

Obfity materiał doświadczalny wskazywał, 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. Wobec stwierdzenia ścisłej zależności właściwość-struktura rozpoczęto poszukiwania możliwości jej matematycznego opisu.

Punktem wyjścia tych poszukiwań jest jednoznaczna definicja i opis struktury. Tymczasem dokładność opisu struktury przeważnie jest nieadekwatna do jej znaczenia. Trudności opisu wynikają z braku ustabilizowanej definicji, z ogromnej różnorodności struktur, wreszcie z trudności przedstawienia rzeczywistej struktury dostatecznie dokładnym modelem geometrycznym. Ponadto tradycyjnie dominujący jakościowy opis struktury wnosi pewien element subiektywizmu. Coraz częściej stosowany opis ilościowy wprawdzie eliminuje subiektywizm, ale wykorzystując określone wskaźniki zazwyczaj opisuje ściśle tylko wybrane elementy struktury.

Można zaryzykować tezę, iż definicja struktury zależy od przyjętej skali badawczej.

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

I przekrojach próbek, przy użyciu mikroskopu świetlnego (mikrostruktura) albo okiem nieuzbrojonym (makrostruktura). W szczególnych przypadkach struktur I bardzo drobnodyspersyjnych można wykorzystywać elektronowy mikroskop prze-¹ świetleniowy i technikę replik. Statystycznie uprzywilejowaną orientację ziarn I 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.

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. Granice domen magnetycznych i elektrycznych można obserwować przy użyciu mikroskopu świetlnego na próbkach z odpowiednio ujawnionymi granicami.

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.

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 GPI 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.

Strukturę krystaliczną materiału dla większości przypadków wystarczająco dokładnie charakteryzuje typ sieci przestrzennej i stałe sieciowe komórki zasadniczej. Wartości te umożliwiają identyfikację materiału lub jego faz składowych.

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.

Na marginesie problematyki definicji należy nadmienić, iż struktura krystaliczna