






Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: układy równowagi; budowa stopów metali.
Typologia: Notatki
1 / 10
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
3. 1. Rodzaje faz wyst puj!cych w stopach metali
Stopy to substancje otrzymywane przez stopienie dwóch lub wi cej pierwiastków. Jakkolwiek obecnie stopy mo!na otrzymywa" tak!e innymi metodami, np. przez spiekanie lub elektroliz , metoda stapiania stosowana jest najcz #ciej. Oczywi#cie budowa stopu jest znacznie bardziej z$o!ona ni! czystego pierwiastka i zale!y przede wszystkim od rodzaju wzajemnego oddzia$ywania na siebie sk$adników stopu podczas krzepni cia i ch$odzenia w stanie sta$ym. W zale!no#ci od liczba pierwiastków tworz%cych stop, rozró!nia si stopy dwusk$adnikowe, zwane te! podwójnymi, trójsk$adnikowe (potrójne) itd. Najprostszymi stopami s% stopy dwóch metali lub metalu z niemetalem, czyli stopy dwusk$adnikowe. Pierwiastki tworz%ce stopy podwójne mog% wykazywa": a ) wzajemn% nieograniczon% rozpuszczalno#" w stanie ciek$ym, a w stanie sta$ym: równie! nieograniczon% rozpuszczalno#", ograniczon% rozpuszczalno#", brak rozpuszczalno#ci; b ) rozpuszczalno#" ograniczon% w stanie ciek$ym, a w stanie sta$ym: równie! ograniczon% rozpuszczalno#", brak rozpuszczalno#ci; c ) brak rozpuszczalno#ci zarówno w stanie ciek$ym, jak i sta$ym. Praktyczne znaczenie maj% jedynie stopy pierwiastków wykazuj%cych ca$kowit% wzajemn% rozpuszczalno#" w stanie ciek$ym. W zwi%zku z tym, struktura stopów w stanie sta$ym mo!e stanowi": a ) jeden roztwór sta$y, je#li sk$adniki stopu wykazuj% nieograniczon% wzajemn% rozpuszczalno#"; b ) mieszanin ziarn czystych pierwiastków tworz%cych stop, je#li pierwiastki te w stanie sta$ym na siebie w ogóle nie oddzia$uj%; c ) mieszanin kryszta$ów roztworów sta$ych granicznych, je#li sk$adniki stopu w stanie sta$ym wykazuj% cz #ciow% wzajemn% rozpuszczalno#"; d ) mieszanin kryszta$ów roztworu sta$ego oraz kryszta$ów zwi%zków chemicznych lub faz mi dzymetalicznych, je#li sk$adniki stopu w stanie sta$ym nie tylko rozpuszczaj% si w sobie wzajemnie, ale równie! reaguj% ze sob% chemicznie. W pierwszym przypadku, gdy stop jest mieszanin%, w$asno#ci poszczególnych ziarn s% takie same jak w$asno#ci czystych metali tworz%cych stop, natomiast w$asno#ci ca$ego stopu s% ich wypadkow%, przy czym du!y wp$yw wywieraj% na nie wielko#" i kszta$t ziarn oraz ich wzajemne usytuowanie. Ten przypadek jednak wyst puje rzadko, a praktyczne znaczenie maj% przede wszystkim stopy zawieraj%ce roztwory sta$e i fazy mi dzymetaliczne. Roztwory sta"e. Roztwory sta$e mo!na podzieli" na dwa zasadnicze rodzaje: a) roztwory mi dzyw z$owe, b) roztwory ró!now z$owe. Roztwory mi dzyw z$owe powstaj%, gdy atomy pierwiastka stopowego maj% ma$% #rednic i mog% w sieci krystalicznej metalu podstawowego zajmowa" pozycje mi dzyw z$owe. Pierwiastkami takimi s% azot, wodór, w giel i bor. Wszystkie inne pierwiastki stopowe tworz% roztwory ró!now z$owe, tzn. atomy pierwiastka stopowego zajmuj% w sieci krystalicznej po$o!enie w z$owe, zast puj%c atomy pierwiastka podstawowego. W obu przypadkach obce atomy tworz% okre#lone defekty punktowe. Ich ilo#" i wielko#" s% funkcjami rodzaju i zawarto#ci pierwiastka stopowego w stopie. Niektóre pierwiastki tworz% ze sob% roztwory sta$e nieograniczone, tzn. rozpuszczaj% si w sobie ca$kowicie niezale!nie od sk$adu stopu, inne rozpuszczaj% si w stanie sta$ym tylko cz #ciowo (np. roztwory mi dzyw z$owe s% z regu$y ograniczone). W pierwszym przypadku stopy maj% struktur jednofazow% w ca$ym zakresie sk$adów chemicznych, a maksymalny
wp$yw umacniaj%cy pierwiastka stopowego wyst puje przy zawarto#ci oko$o 50%. W roztworach sta$ych zostaje zachowana sie" krystaliczna metalu rozpuszczaj%cego. Roztwory sta$e nieograniczone mog% tworzy" ze sob% tylko te pierwiastki, które maj% jednakowy typ sieci krystalicznej, zbli!one wielko#ci #rednic atomowych (ró!ni%ce si nie wi cej jak o 10-15%), jednakow% warto#ciowo#" i s% do siebie podobne pod wzgl dem charakteru elektrochemicznego. Z warunków tych, zwanych warunkami Hume-Rothery'ego wynika jednak, !e pierwiastki stopowe tworz%ce z metalem podstawowym roztwory sta$e nieograniczone na w$asno#ci tych roztworów wywieraj% wp$yw raczej nieznaczny. Oczywi#cie nie wszystkie pierwiastki spe$niaj%ce powy!sze warunki tworz% roztwory sta$e nieograniczone, ale struktur tak% wykazuje wiele rzeczywistych stopów podwójnych, m.in. stopy: z$oto-srebro, z$oto-platyna, mied&-nikiel, mied&-platyna, kadm-magnez, tytan-molibden, wolfram-molibden, !elazo-chrom. Istotny wp$yw na w$asno#ci roztworu sta$ego wywieraj% pierwiastki ró!ni%ce si rodzajem przestrzennej sieci krystalicznej i #rednic% atomow% od metalu podstawowego. Jak ju! wspomniano, takie pierwiastki mog% tworzy" jedynie roztwory ograniczone, wobec czego w zale!no#ci od sk$adu chemicznego stop mo!e by" jednofazowy (je#li zawarto#" w nim sk$adnika stopowego nie przekracza granicznej rozpuszczalno#ci w temperaturze otoczenia) lub dwufazowy, z$o!ony z mieszaniny kryszta$ów roztworu sta$ego granicznego sk$adnika B w A i kryszta$ów roztworu sta$ego granicznego sk$adnika A w B. W tym drugim przypadku w$asno#ci stopu zale!% nie tylko o w$asno#ci roztworów sta$ych tworz%cych mieszanin oraz wielko#ci i kszta$tu ziarn ale tak!e od wzajemnego usytuowania kryszta$ów obu roztworów. W#ród stopów podwójnych uk$ady z ograniczon% rozpuszczalno#ci% wykazuj% m.in. stopy: mied&-srebro, aluminium-krzem, aluminium-cynk, kadm-bizmut, cynk-o$ów, o$ów-kadm, cynk- kadm. Zmian w$asno#ci mechanicznych !elaza! pod wp$ywem pierwiastków stopowych tworz%cych z nim roztwory ograniczone lub nieograniczone pokazano na rys. 3.1. Ja wida", mangan i krzem wyra&nie podwy!szaj% wytrzyma$o#" !elaza, powoduje jednocze#nie znaczny spadek plastyczno#ci, natomiast nikiel, chrom, wolfram, czy molibden na w$asno#ci mechaniczne !elaza oddzia$uj% w niewielkim stopniu
Rys. 3.1. Wp$yw niektórych pierwiastków stopowych na w$asno#ci mechaniczne !elaza !: a) na wytrzyma$o#" na rozci%ganie, b) na przew !enie
W$asno#ci wytrzyma$o#ciowe miedzi najbardziej podwy!sza krzem, w mniejszym stopniu cyna, natomiast cynk prawie na nie ma wp$ywu (rys. 3.2). W przypadku tytanu wytrzyma$o#" na rozci%ganie silnie podwy!szaj% !elazo, mangan, chrom, molibden i wanad (rys. 3.3).
Fazy mi dzymetaliczne. W omówionych powy!ej typach stopów jako oddzielne wyst powa$y b%d& czyste metale, b%d& roztwory sta$e nieograniczone lub ograniczone. Sk$adniki stopu w stanie sta$ym mog% jednak tworzy" te! tzw. faz mi dzymetaliczn%, charakteryzuj%c% si odmienn% sieci% krystaliczn% ni! sieci krystaliczne jej sk$adników.
do liczby atomów w jednej komórce strukturalnej. Cz sto nazywa si je równie! fazami Hume- Rothery'ego od nazwiska ich odkrywcy. Fazy elektronowe wyst puj% w stopach, w których jednym ze sk$adników jest pierwiastek z szeregu Cu, Ag, Au, Mn, Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt, drugim
Fazy mi dzyw z$owe mog% powstawa", je#li stosunek promieni atomowych pierwiastka niemetalicznego do metalu nie przekracza 0,59. Mo!na przypisa" im wzory stechiometryczne Me 4 X, Me 2 X, MeX i MeX 2 , gdzie Me jest symbolem metalu, a X - niemetalu. Fazami mi dzyw z$owymi s% zatem wodorki, azotki oraz niektóre w gliki i borki metali przej#ciowych. W stopach technicznych najwa!niejszymi s% azotki (Nb 2 N, TaN, TiN, WN, VN, Fe 4 N, Fe 2 N, Ni 2 N, Mn 4 N i in.) i w gliki (m.in. Nb 4 C, Nb 2 C, NbC, Ta 2 C, TiC, W 2 C, WC, Mo 2 C, V 2 C ).
Fazy mi dzyw z$owe wyst puj% w do#" szerokim zakresie st !e'. Wykazuj% w$asno#ci metaliczne, s% twarde i kruche, przewodz% pr%d elektryczny, maj% wysok% temperatur topnienia i do#" dobr% odporno#" chemiczn%. Izomorficzne w gliki i azotki w stanie sta$ym wzajemnie si rozpuszczaj%. Fazy o strukturach z$o!onych powstaj%, je#li stosunek promieni atomowych pierwiastka niemetalicznego do metalu przekracza 0,59. Takimi fazami s% w gliki !elaza, chromu, niklu, manganu i kobaltu, w gliki podwójne !elaza i manganu, !elaza i wolframu oraz !elaza i
molibdenu, a tak!e wi kszo#" borków. Fazy o strukturze z$o!onej cechuje du!a liczba atomów przypadaj%cych na jedn% komórk strukturaln%. W gliki o z$o!onej strukturze maj% równie! w$asno#ci metaliczne, ale wyst puj% przy praktycznie sta$ym stosunku ilo#ciowym sk$adników, okre#lonym wzorem stechiometrycznym. W porównaniu do w glików mi dzyw z$owych maj% ni!sz% temperatur topnienia, mniejsz% twardo#" i odporno#" chemiczn%, $atwiej przechodz% do roztworu sta$ego podczas ogrzewania stali. W stopach !elaza najwi ksze znaczenie ma w glik !elaza Fe 3 C zwany cementytem, o stosunku promieni atomowych w gla do !elaza wynosz%cym 0,63. Mo!e on tworzy" roztwory sta$e ró!now z$owe, w których cz #" atomów !elaza jest zast powana atomami manganu, chromu, molibdenu, czy wolframu (cementyt stopowy), a cz #" atomów w gla - atomami azotu (tzw. w glo-azotki). Krystalizuje w z$o!onej sieci nale!%cej do uk$adu rombowego, podobnie jak Mn 3 C i Co 3 C_._ W gliki Cr 23 C 6 i Mn 23 C 6 krystalizuj% w bardzo z$o!onej sieci regularnej, której pojedyncza komórka zawiera 116 atomów, w tym 24 atomy w gla. W gliki Cr 7 C 3 i Mn 7 C 3 krystalizuj% w z$o!onej sieci heksagonalnej, której komórka zawiera 80 atomów (w tym równie! 24 atomy w gla). W stalach wysokostopowych oba rodzaje w glików tworz% równie! roztwory sta$e ró!now z$owe, przy czym cz #" atomów chromu lub manganu zast puj% atomy !elaza, molibdenu, wolframu i in., podobnie jak podwójne w gliki !elaza i wolframu (Fe 4 W 2 C i Fe 3 W 3 C), krystalizuj%ce w z$o!onej sieci regularnej (112 atomów, w tym 16 w gla). Fazy Sigma. S% to fazy mi dzymetaliczne krystalizuj%ce w sieci tetragonalnej, której komórka zawiera 30 atomów. Tworz% si mi dzy niektórymi metalami przej#ciowymi, takimi jak Cr-Fe, V-Fe, Mo-Fe, Cr-Co, V-Co, Mo-Co, Cr-Mn, V-Ni i in. Fazy Sigma s% twarde i kruche. Najwi ksze znaczenie techniczne ma faza Sigma wyst puj%ca w stopach !elaza z chromem (stopy odporne na korozj oraz stopy o du!ym oporze elektrycznym), o przybli!onym wzorze stechiometrycznym FeCr, wydzielaj%ca si z roztworu sta$ego w temperaturze 815°C.
Rys. 3.4. Schematy wzajemnego usytuowania faz w stopach dwufazowych: l — kryszta$y granicznego roztwór sta$ego !, 2 — kryszta$y granicznego roztworu sta$ego " lub fazy mi dzymetalicznej
Teoretycznie zawiera 47% atom. chromu, praktycznie istnieje przy zawarto#ciach chromu 43- 50% atom., jest wi c roztworem sta$ym wtórnym. Obecno#" fazy FeCr w stopach jest bardzo niekorzystna, gdy! zwi ksza ich krucho#" i obni!a odporno#" na korozj.
Sk adnikami uk adu nazywa si substancje tworz%ce dany uk$ad. Dla przyk$adu czysty metal tworzy uk$ad jednosk$adnikowy, stop dwóch metali — uk$ad dwusk$adnikowy itd. Fazy mi dzymetaliczne uwa!a si tak!e za sk$adniki, je#li w rozpatrywanym zakresie temperatury nie rozk$adaj% si na pierwiastki sk$adowe.
Liczba stopni swobody uk$adu jest to liczba zewn trznych i wewn trznych czynników (temperatura, ci#nienie i sk$ad chemiczny), które mo!na zmienia" bez spowodowania zmiany liczby faz w danym uk$adzie.
Przy za$o!eniu, !e w rozpatrywanym uk$adzie wszystkie przemiany zachodz% przy sta$ym i niezmiennym ci#nieniu, regu$a faz wyra!a si wzorem
s = m – f + l
gdzie : s - liczba stopni swobody, m - liczba sk$adników, f - liczba faz. Dla rzeczywistych uk$adów wielofazowych liczba stopni swobody wynosi zwykle 0, l lub 2. Gdy S = 0, uk$ad jest niezmienny, czyli nie mo!na zmienia" ani temperatury, ani sk$adu chemicznego bez spowodowania zmiany liczby faz w uk$adzie. Gdy S = l, uk$ad jest jednozmienny. Oznacza to, !e nie zmieniaj%c liczby faz w uk$adzie mo!na zmieni" (w pewnych granicach) temperatur b%d& sk$ad chemiczny. Gdy S = 2, uk$ad jest dwuzmienny. Oznacza to, !e nie zmieniaj%c liczby faz w uk$adzie mo!na zmieni" (w pewnych granicach) temperatur i sk$ad chemiczny.
3. 3. Budowa stopów podwójnych
Jak ju! wspomniano, przy badaniu struktury stopów bardzo wa!ne znaczenie ma znajomo#" ich wykresów równowagi fazowej. Je!eli dwa sk$adniki stopu nie oddzia$uj% na siebie chemicznie i nie podlegaj% !adnym przemianom w stanie sta$ym, to ich wykresy równowagi podaj% dla dowolnego sk$adu chemicznego stopu temperatur pocz%tku krzepni cia (linia likwidusu ) i jego ko'ca (linia solidusu ). Na rysunku 3.5 przedstawiono wykres równowagi typu I, odpowiadaj%cy ca$kowitej wzajemnej rozpuszczalno#ci sk$adników w stanie ciek$ym i jej brakowi w stanie sta$ym. Sk$adniki nie tworz% równie! zwi%zków chemicznych. Linia AEB jest lini% likwidusu, a linia DEC lini% solidusu. Na linii AE przy ch$odzeniu zaczynaj% si wydziela" z cieczy kryszta$y metalu A, na linii EB — kryszta$y metalu B. Na linii DEC z cieczy o sk$adzie E wydzielaj% si jednocze#nie bardzo drobne krysztale A i B tworz%ce mieszanin , która nazywa si eutektyk% (po grecku $atwo topliwa) a stop o tym sk$adzie - stopem eutektycznym (stopy o sk$adzie odpowiadaj%cym zakresowi DE s% stopami podeutektycznymi, pozosta$e - nadeutektycznymi). Na rysunku podano równie! schematy struktur stopów podeutektycznych, eutektycznego i nadeutektycznych. Jak wida", w pierwszym przypadku na tle eutektyki wyst puj% kryszta$y metalu A, w drugim - sama eutektyk%, w trzecim - na tle eutektyki kryszta$y metalu B. Oczywi#cie skrajne odci te wykresu odpowiadaj% czystym sk$adnikom A i B. Taki wykres równowagi tworz% m.in. stopy bizmut-kadm. Trzeba podkre#li", !e zawarto#" eutektyki w stopie zmienia si liniowo, od 0 dla czystych sk$adników A i B do 100% dla stopu eutektycznego. Wykres równowagi typu II, odpowiadaj%cy ca$kowitej rozpuszczalno#ci wzajemnej sk$adników zarówno w stanie ciek$ym, jak i sta$ym (przy braku faz mi dzymetalicznych), podano na rys. 3.6.
Rys. 3.5. Wykres równowagi odpowiadaj%cy ca$kowitej rozpuszczalno#ci wzajemnej sk$adników w stanie ciek$ym i brakowi rozpuszczalno#ci w stanie sta$ym oraz schematy struktur poszczególnych grup stopów
W tym przypadku eutektyka nie wyst puje, a wszystkie stopy w stanie sta$ym: maj% jednakow% struktur z$o!on% z kryszta$ów roztworu sta$ego! o sk$adzie odpowiadaj%cym sk$adowi stopu.
Rys. 3.6. Wykres równowagi odpowiadaj%cy ca$kowitej rozpuszczalno#ci wzajemnej sk$adników zarówno w stanie ciek$ym, jak i w stanie sta$ym oraz schemat struktury stopów
Przy rozpuszczalno#ci wzajemnej sk$adników w stanie ciek$ym i ograniczonej rozpuszczal- no#ci w stanie sta$ym oraz braku faz mi dzymetalicznych mog% wyst powa" dwie postacie wykresów równowagi typu III, a mianowicie z eutektyk% (rys. 3.7) i perytektyk% (rys. 3.8). W pierwszym przypadku nie wyst puj% fazy b d%ce czystymi sk$adnikami, w s%siedztwie linii A i B, odpowiadaj%cych czystym sk$adnikom, znajduj% si obszary roztworów sta$ych granicznych! (sk$adnika B w sk$adniku A) i " (sk$adnika A w sk$adniku B), przy czym graniczn% rozpuszczalno#" z lewej strony okre#la linia DF , z prawej — linia CG.
Rys. 3.8. Wykres równowagi odpowiadaj%cy ca$kowitej rozpuszczalno#ci wzajemnej sk$adników w stanie ciek$ym i ograniczonej rozpuszczalno#ci w stanie sta$ym (z perytektyk%) oraz schematy struktur poszczególnych grup stopów
Nowo powstaj%ce kryszta$y " maj% sk$ad punktu P. Poniewa! stopy zawieraj; nadmiar fazy! w stosunku do ilo#ci potrzebnej do utworzenia kryszta$ów ", po zako'czeniu przemiany sk$adaj% si z kryszta$ów " i pozosta$ych w nadmiarze kryszta$ów! Oczywi#cie ilo#" tych ostatnich maleje w miar zbli!ania si d punktu P, a stop o sk$adzie tego punktu zawiera wy$%cznie kryszta$y ". Krzepni cie stopów o st !eniu sk$adnika B wi kszym od st !enia odpowiadaj%cego punktowi G ró!ni si od poprzednich tym, !e w temperaturze perytektycznej istnieje pewien nadmiar cieczy w stosunku do ilo#ci potrzebnej dla utworzenia kryszta$ów " o sk$adzie punktu P. Dlatego przemiana perytektyczna w tym przypadku ko'czy si z chwil% wyczerpania kryszta$ów roztworu sta$ego !, a pozosta$a ciecz bezpo#rednio krystalizuje jako faza ". W praktyce rzadko spotyka si uk$ady o sta$ej granicznej rozpuszczalno#ci. Przewa!nie zmienia si ona wraz z temperatur% i wtedy ma miejsce jeszcze wtórna krystalizacja kryszta$ów "" z kryszta$ów !, i kryszta$ów !" z kryszta$ów ". Uk$ad równowagi z perytektyk% tworz% m.in. stopy srebro-platyna. Zawarto#" perytektyki w stopie, podobnie jak eutektyki, zmienia si liniowo, od 0 dla stopów o sk$adzie punktów D i C do 100% dla stopu o sk$adzie punktu P.
Wykres równowagi typu IV (rys. 3.9a) tworz% dwa sk$adniki, które w stanie ciek$ym rozpuszczaj% si wzajemnie bez ograniczenia, natomiast w stanie sta$ym b%d& nie rozpuszczaj% si w sobie, b%d& tworz% roztwory graniczne, a ponadto tworz% trwa$% faz mi dzymetaliczn% AnBm. Taka faza dzieli wykres na dwie nienale!ne cz #ci tak, !e w rzeczywisto#ci wyst puj% tu jakby dwa odr bne uk$ady równowagi: metalu A i fazy mi dzymetalicznej oraz fazy mi dzymetalicznej i metalu B, a ka!dy z tych uk$adów mo!e nale!e" do jednego z poprzednio omówionych typów. Niektóre fazy mi dzymetaliczne mog% rozpuszcza" w stanie sta$ym sk$adnik A lub B wzgl dnie oba sk$adniki, tworz%c omówione ju! roztwory sta$e wtórne. Wykres równowagi odpowiadaj%cy temu przypadkowi podano na rys. 3.9b.