POWRÓT

Nauka o materiałach

Stopy metali i fazy (Opracowano na podstawie M.J Sienko - Chemia, L.A. Dobrzański - Materiały inżynierskie)


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Ogólne wiadomości o stopach
Roztwory stałe
Fazy międzymetaliczne
Mieszaniny faz

 

Ogólne wiadomości o stopach

   

Stopy metali

Stop – substancja składająca się z metalu stanowiącego osnowę, do której wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek (metal lub niemetal), wykazująca cechy metaliczne.

    Czyste metale są w technice stosowane stosunkowo rzadko. Powszechne zastosowanie znajdują stopy metali – w wielu przypadkach wykazujące lepsze własności niż czyste metale.
    Stopy są substancjami dwu- lub wieloskładnikowymi, makroskopowo wykazującymi własności metaliczne. Co najmniej jeden z głównych składników stopu jest metalem. Składniki stopów to: pierwiastki, roztwory stałe, fazy międzymetaliczne i międzywęzłowe
    Stopy metali charakteryzują się wiązaniem metalicznym jako jedynym lub występującym oprócz innych rodzajów wiązań. Skład chemiczny stopów jest wyrażany przez:

  • stężenie masowe składników,
  • stężenie atomowe składników.

    Stosunek masy danego składnika do całej masy stopu podany w procentach określa jego stężenie masowe. Udział atomów składnika w ogólnej liczbie atomów stopu wyrażony procentowo stanowi stężenie atomowe składnika.


Fazy

Faza: jednorodna część stopu, oddzielona od reszty stopu powierzchnią rozdziału, zwaną granicą faz. Na granicy faz skład i właściwości zmieniają się w sposób nieciągły (skokowy).

Rodzaje faz: stałe, ciekłe, gazowe

    Stopy mogą mieć strukturę jedno- lub wielofazową. Poszczególne fazy stopu zwykle dość znacznie różnią się między sobą własnościami. Liczba, rodzaj i własności faz są uzależnione od składu chemicznego stopu. Zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej jest nazywany układem.
    Stopy metali są wytwarzane głównie przez topienie i krystalizację ze stanu ciekłego. W wyniku tych procesów z cieczy, będącej zwykle roztworem wszystkich składników stopu, mogą powstać:

  • roztwory stałe,
  • fazy międzymetaliczne,
  • mieszaniny faz.

Do góry


 

Roztwory stałe

   

Roztwór stały - jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej, czego skutkiem są właściwości metaliczne

Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze, jest rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym


Roztwory stałe i ich składniki

    Roztwór stały stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych.

Roztwory stałe podstawowe i wtórne

    Roztwory stałe mogą być:

  • podstawowe,
  • wtórne.

Roztwory podstawowe: gdy rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu
Roztwory wtórne: gdy rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna

    Roztwory stałe podstawowe zachowują strukturę sieciową taką samą, jak czysty metal rozpuszczalnika. W zależności od zakresu stężenia składnika rozpuszczonego roztwory stałe mogą być podzielone na:

  • graniczne,
  • ciągłe.

    Roztwór stały podstawowy występuje zwykle w pewnym zakresie stężeń zmniejszających się od 100% rozpuszczalnika. Jeżeli stężenie składnika rozpuszczonego jest ograniczone w pewnym zakresie, roztwór stały jest nazywany roztworem stałym granicznym. W przypadku nieograniczonej rozpuszczalności obydwu składników w stanie stałym w całym zakresie stężeń, tj. od 0 do 100%, roztwór stały jest roztworem stałym ciągłym.


Czynniki decydujące o tworzeniu roztworów stałych

    Czynniki decydujące o tworzeniu roztworów stałych można ująć w formie czterech reguł:

  • elektrowartościowości ujemnej,
  • typów sieci,
  • wielkości atomów,
  • względnych wartościowości.

    Z uwagi na usytuowanie metalu rozpuszczalnika i metalu rozpuszczonego roztwory stałe dzielimy na roztwory stałe międzywęzłowe i roztwory stałe różnowęzłowe.
    Roztwory międzywęzłowe powstają, gdy atomy pierwiastka stopowego mają małą średnicę i mogą w sieci krystalicznej metalu podstawowego zajmować pozycje międzywęzłowe. Pierwiastkami takimi są azot, wodór, węgiel i bor. Wszystkie inne pierwiastki stopowe tworzą roztwory różnowęzłowe, tzn. atomy pierwiastka stopowego zajmują w sieci krystalicznej położenie węzłowe, zastępując atomy pierwiastka podstawowego. W obu przypadkach obce atomy tworzą określone defekty punktowe. Ich ilość i wielkość są funkcjami rodzaju i zawartości pierwiastka stopowego w stopie.

Roztwory stałe międzywęzłowe (atomy składnika rozpuszczonego znajdują się między węzłami sieci rozpuszczalnika) – graniczne- np. Fe z B, O, C, H, N

Roztwór międzywęzłowy np. roztwór C w Fe

    Roztwory międzywęzłowe są roztworami granicznymi; zawsze ma miejsce ekspansja sieci. Tworzą je metale przejściowe (np. Fe, Ti) z pierwiastkami niemetalicznymi o bardzo małych promieniach atomowych (H, C, N)

Roztwory stałe różnowęzłowe (atomy rozpuszczalnika i składnika rozpuszczonego w węzłach sieci)- ciągłe lub graniczne – ekspansja lub kontrakcja sieci

Roztwór stały różnowęzłowy

Roztwory różnowęzłowe mogą być:

  • ciągłe (dowolne proporcje atomów rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego) lub
  • graniczne (ograniczona rozpuszczalność pierwiastka rozpuszczonego); zawsze ma miejsce ekspansja lub kontrakcja sieci.

Schemat deformacji sieci roztworu stałego różnowęzłowego, wywołanej przez atom pierwiastka rozpuszczonego: a) ekspansja, b) kontrakcja

    Stopy jednofazowe o strukturze roztworów stałych wykazują zwykle wyższe właściwości wytrzymałościowe niż czyste metale. Umocnienie poprzez tworzenie się roztworu stałego (obecność pierwiastków rozpuszczonych w sieci rozpuszczalnika) wiąże się z działaniem jednego lub kilku mechanizmów dyslokacyjnych:

  • blokowaniem dyslokacji w położeniach wyjściowych, zmniejszeniem szybkości ruchu dyslokacji w wyniku zwiększenia naprężenia tarcia sieci,
  • utrudnieniem w pokonywaniu przeszkód przez dyslokacje w wyniku ograniczenia poślizgu poprzecznego.

Do góry


 

Fazy międzymetaliczne

   

    W opisanych wyżej typach stopów jako oddzielne występowały bądź czyste metale, bądź roztwory stałe nieograniczone lub ograniczone. Składniki stopu w stanie stałym mogą jednak tworzyć też tzw. fazę międzymetaliczną, charakteryzującą się odmienną siecią krystaliczną niż sieci krystaliczne jej składników.
    Fazy międzymetaliczne są połączeniami metali lub metali z niemetalami i wykazują własności metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego między atomami wchodzącymi w skład fazy. Charakterystyczne cechy faz międzymetalicznych opisują cztery zasady:

  • struktura krystaliczna faz międzymetalicznych różni się od struktury każdego ze składników,
  • atomy każdego ze składników wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalicznej,
  • w oddziaływaniach między atomami występuje przewaga wiązania metalicznego,
  • wzajemne stosunki ilościowe atomów składników rzadko odpowiadają wartościowościom chemicznym pierwiastków, jakie wykazują one w związkach chemicznych, chociaż fazom można przypisać wzory podobne do wzorów związków chemicznych.

Z reguły sieć krystaliczna fazy międzymetalicznej jest bardzo skomplikowana, co powoduje jej dużą twardość i kruchość.


Do góry


 

Mieszaniny faz

   

    Stanem stopu, występującym bardzo często, jest mieszanina faz. O mieszaninie faz mówi się wtedy, gdy w stopie znajdują się co najmniej dwie fazy w stanie rozdrobnienia, oddzielone od siebie granicami międzyfazowymi. Każda faza ma przy tym określone, właściwe sobie, skład chemiczny, strukturę krystaliczną i własności. Mieszaniny faz mają zwykle lepsze własności wytrzymałościowe i mniejszą plastyczność od poszczególnych faz.


Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved