MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, … · metali z niemetalami, wykazuj ące...
Transcript of MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, … · metali z niemetalami, wykazuj ące...
� Stop – substancja składająca się z metalustanowiącego osnowę, do której wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek (metal lub niemetal), wykazująca cechy metaliczne.
� Skład chemiczny podawany w stężeniu masowym lub atomowym
� Stopy mogą być jedno- lub wielofazowe
� 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).
� Układ równowagi: zbiór faz w stanie równowagi termodynamicznej
� Składniki stopów to: pierwiastki, roztwory stałe, fazy międzymetaliczne i międzywęzłowe
� Rodzaje faz: stałe, ciekłe, gazowe
� Rodzaje faz stałych:
�pierwiastki,
�roztwory stałe,
�fazy międzymetaliczne
Roztwory stałe
• Roztwór stały - jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej, czego skutkiem są właściwości metaliczne
• Wyróżnia się rozpuszczalnik (pierwiastek –składnik o większym stężeniu) i pierwiastek -składnik rozpuszczony
Roztwory stałe:
�Roztwory podstawowe: rozpuszczalnikiem jest pierwiastek
�Roztwory wtórne: rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna
Roztwory stałe:
• międzywęzłowe (atomy składnika rozpuszczonego między węzłami sieci rozpuszczalnika) – graniczne-np. Fe z B, O, C, H, N
•różnowęzłowe (atomy rozpuszczalnika i składnika rozpuszczonego w węzłach sieci)- ciągłe lub graniczne – ekspansja lub kontrakcja sieci
•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 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 struktury roztworu stałego różnowęzłowego dwuskładnikowego:
A ○ – atomy rozpuszczalnika ,
B ● – atomy pierwiastka rozpuszczonego
Schemat deformacji sieci roztworu stałego różnowęzłowego, wywołanej przez atom pierwiastka rozpuszczonego:
a) ekspansja, b) kontrakcja
Reguły Hume-Rothery`ego
tworzenia roztworów stałych ciągłych
• Oba składniki posiadają jednakowy typ struktury
krystalicznej.
• Nieograniczona rozpuszczalność tylko przy
stosunku promieni atomowych składników <1,08,
natomiast ograniczona rozpuszczalność w
wypadku stosunku promieni atomowych >1,15.
• Im mniejsza różnica elektrowartościowości
składników, tym większa możliwość tworzenia
roztworów stałych ciągłych.
• Jednakowa wartościowość składników sprzyja
nieograniczonej rozpuszczalności składników.
Nadstruktury
•W niektórych roztworach stałych
różnowęzłowych, przy określonym stężeniu,
ma miejsce przemiana nieporządek –
porządek w trakcie chłodzenia lub
nagrzewania (nadstruktura).
•Wzory AB, AB3, A3B
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.
Mechanizmy umocnienia
�pokonywanie przez dyslokacje pól naprężeń wokół
niedopasowanych atomów pierwiastka rozpuszczonego -
(mechanizm Motta – Nabarro)
ruch postępowy dyslokacji
zachodzi przez przeskakiwanie
odcinka linii dyslokacji L,
kilkakrotnie dłuższego od
odległości λ między
rozpuszczonymi atomami do
następnego położenia
równowagowego
�sprężyste blokowanie ruchu dyslokacji (mechanizm
Cottrella)
• atomy rozpuszczone np. węgla gromadzą się wokół linii
dyslokacji dla zmniejszenia występujących w tych miejscach
naprężeń rozciągających, tworząc tzw. atmosfery Cottrell'a.
Wywołanie ruchu dyslokacji z takiego obszaru, gdzie
utworzyły się te atmosfery wymaga większego naprężenia
stycznego.
•Gdy przyłożone naprężenie pokona oddziaływanie między
dyslokacją a atmosferą, może ona poruszać się przy mniejszym
naprężeniu, co decyduje o wystąpieniu wyraźnej granicy
plastyczności.
Atmosfery Cottrella – „kotwiczenie” dyslokacji
Atomy międzywęzłowe w metalach o sieci A2 silnie umacniają
ponieważ:
•Wytwarzają bardzo duże pola naprężeń sprężystych wokół siebie
- dzięki umiejscawianiu się w pobliżu dyslokacji obniżają ich energię
•wytwarzają pola naprężeń o charakterze hydrostatycznym i tnącym
- kotwiczą w ten sposób dyslokacje krawędziowe i śrubowe
•Mogą szybko dyfundować, nawet w temperaturze pokojowej
- dlatego mogą „znajdować” dyslokacje w ciągu kilku godzin lub dni.
�chemiczne blokowanie rozszczepionych dyslokacji* zgodnie z
mechanizmem Suzuki :
• w wyniku dyfuzji powstają w stopie obszary o lokalnie
zwiększonym stężeniu pierwiastka rozpuszczonego i obniżonej
przez to energii błędu ułożenia, które przyciągają się z
rozszczepionymi dyslokacjami
• dyslokacje cząstkowe w wyniku oddziaływania pierwiastków
rozpuszczonych są bardziej rozszczepione, co doprowadza do
dalszego poszerzania pasma błędu ułożenia między dyslokacjami
cząstkowymi i skutecznie zapobiega poślizgowi poprzecznemu
dyslokacji śrubowych;
*Naprężenie poślizgu dyslokacji częściowych jest mniejsze niż dyslokacji całkowitych. Dlatego często
dyslokacje całkowite ulegają rozszczepieniu na częściowe. Rozszczepieniu dyslokacji towarzyszy
powstanie błędu ułożenia.
Umocnienie występuje wtedy gdy obce atomy wykazują inną
rozpuszczalność wokół błędu ułożenia niż w obrębie matrycy
Gdy obce atomy wykazują większą rozpuszczalność wokół BU:
A: (Stan nierównowagowy)
Dyslokacje i BU.
Obce atomy o takiej samej koncentracji c o w matrycy i wokół BU.
B: (Stan równowagowy)
Obce atomy o koncentracji c o w matrycy i c1 ( > co) wokół BU
(obce atomy dyfundują do BU).
Eenergia BU (na jednostkę powierzchni) jest mniejsza, co
powoduje poszerzenie „wstęgi” BU, a to z kolei powoduje:
•Zmniejszenie napięcia liniowego dyslokacji
•Zmniejszenie całkowitej energii dyslokacji
•Wokół BU powstaje gradient koncentracji obcych atomów, co jest
•źródłem siły chemicznej blokującej ruch dyslokacji
�geometryczne blokowanie ruchu dyslokacji - mechanizm
Fishera;
•atomy pierwiastka rozpuszczonego zamiast pozostawać w
bezładnym ułożeniu mogą tworzyć lokalne zgrupowania
tzw. klastry lub mogą układać się regularnie w sieci
rozpuszczalnika tworząc uporządkowanie bliskiego
zasięgu, co utrudnia ruch dyslokacji, gdyż ruch ten
wymaga zniszczenia klastrów lub uporządkowania
bliskiego zasięgu.
Zawarte w klastrach atomy
dodatków stopowych hamują ruch
dyslokacji w płaszczyźnie poślizgu
i wymuszają ich uginanie.
Fazy międzymetaliczne
Fazy międzymetaliczne – to połączenia metali lub
metali z niemetalami, wykazujące właściwości
metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity
udział wiązania metalicznego między atomami
wchodzącymi w skład fazy.
Fazy międzymetaliczne
Charakterystyczne cechy:
�Struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze składników
�Uporządkowane rozmieszczenie atomów w sieci krystalicznej
�Przewaga wiązania metalicznego między atomami
�Wzajemne stosunki ilościowe atomów składników nie odpowiadają ich wartościowościom chemicznym, jakie składniki wykazują w związkach chemicznych, chociaż przypisuje się im określone wzory podobnie do związków chemicznych – odchylenia od stechiometrii!
Kryteria klasyfikacji faz międzymetalicznych:
�Stężenie elektronowe -stosunek liczby elektronów
wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnej-
możliwe stężenia 21/14(3/2), 21/13, 21/12(7/4)
�Wielkość atomów składników
Rodzaje faz międzymetalicznych:
�elektronowe
�Lavesa
�o strukturze siatek kagome
�międzywęzłowe
�Roztwory stałe wtórne (różnowęzłowe, międzywęzłowe, pustowęzłowe):
Są to roztwory, w których rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna, a składnikiem rozpuszczonym – jeden lub wszystkie pierwiastki tworzące fazę.
Fazy elektronowe
•Tworzą się pomiędzy metalami dwóch grup: z jednej strony są to pierwiastki o bardzo wyraźnych zechach metalicznych (Cu, Ag, Au, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Pt), z drugiej zaś strony – pierwiastki o słabiej zaznaczonych cechach metalicznych (Be, Mg, Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb)
•Stężenie elektronowe: stosunek liczby elektronów wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnej
•Możliwe wartości stężenia elektronowego: 21/14(3/2), 21/13, 21/12(7/4))
•Roztwory stałe wtórne o wyraźnych właściwościach metalicznych
Przykłady faz elektronowych
Fazy elektronowe nie wywierają one istotnego wpływu na
właściwości stopów, w których występują
•Fazy Lavesa (fazy o gęstym wypełnieniu
przestrzeni )
�Tworzą się przy stosunku promieni
atomowych 1,05-1,68
�Wzór AB2
�M.in. w stopach Fe, Mn, Cr i Mo z innymi
metalami np. MgCu2
•Fazy Lavesa można spotkać w różnych stopach i obecnie
wiadomo o ponad 1000 takich związków międzymetalicznych.
•Fazy Lavesa są bardzo twardymi związkami.
•Dzięki osobliwościom ich budowy krystalicznej one są w
stanie zmieścić w swojej strukturze atomy wodoru: na jedną
jednostkę chemiczną związku może przypadać do czterech
atomów wodoru. To powoduje, że fazy Lavesa są rozważane
jako jednym z możliwych kandydatów do wykorzystania w
energetyce wodorowej.
•Fazy o strukturach siatek kagome
� Fazy σ, P, R, µ, δ
�Charakter roztworów stałych wtórnych
� Powstają po długotrwałym wygrzewaniu
roztworów stałych podstawowych
Płaskie siatki warstw atomowych faz parkietowych pochodne od
siatek kagome:
a) siatka kagome; b) struktura fazy σ; c) struktura fazy P; d) struktura
fazy µ
• Fazy międzymetaliczne międzywęzłowe
Fazy międzymetaliczne, których węzły są
obsadzone atomami jednego z metali
przejściowych M (Fe, Cr, Mo, Mn, Ti), a pozycje
międzywęzłowe są zajęte przez atomy
pierwiastków niemetalicznych o małym
promieniu atomu X (H, B, C, N) - węgliki, azotki,
wodorki, borki, węglikoazotki
� O ich powstaniu decyduje czynnik wielkości atomów.
Klasyfikacja w zależności od stosunku promienimetalu rM i niemetalu rX
� Gdy rX/rM ≤ 0,59, tworzą się fazy o strukturach prostych, o wzorach M4X, M2X, MX, MX2 (układ regularny lub heksagonalny o prostych komórkach elementarnych)
� Gdy rX/rM > 0,59, tworzą się fazy o strukturach złożonych, o wzorach M3X, M23X6, M7X3, M6C (układ rombowy, regularny, heksagonalny o złożonych komórkach elementarnych)
� Azotki i węgliki typu MN i MC oraz M2N i M2C są izomorficzne (ten sam typ sieci krystalicznej) i cechują się
wzajemną rozpuszczalnością. Możliwe jest więc tworzenie w
stopach węglikoazotków typu M(C,N) i M2(C,N)
Fazy międzywęzłowe o strukturach prostych wykazują:
•właściwości metaliczne,
•są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego,
• mają wysokie temperatury topnienia,
•są twarde, kruche
•odporne chemicznie.
Fazy międzywęzłowe o strukturach złożonych
•są trwałe głównie przy składach stechiometrycznych.
•wykazują one słabsze cechy metaliczne,
•mają mniejszą twardość i odporność chemiczną
•niższe temperatury topnienia niż fazy proste.
•łatwo rozpuszczają się w roztworach stałych.
Umocnienie stopów cząstkami
faz wtórnych
• Spowodowane przez różnice między cząstkami a osnową:
- struktury sieciowej,
- składu chemicznego,
- własności sprężystych i wytrzymałościowych
• Utwardzanie wydzieleniowe: cząstki faz wydzielają sięw osnowie przy tworzeniu koherentnej granicymiędzyfazowej, sprężystego odkształcenia sieci i pola naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy plastyczności
• Utwardzanie dyspersyjne: cząstki faz są wprowadzanew procesie wytwarzania; występuje granica nie koherentna
Oddziaływania między cząstkami
faz wtórnych a dyslokacjami• Przecinanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje
(niewielka twardość cząstek i uprzywilejowana orientacja
krystalograficzna)
• Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku
tworzenia zamkniętych pętli dyslokacyjnych
• Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku
zmiany płaszczyzny poślizgu poprzez wspinanie lub
poślizg poprzeczny