MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

Transkrypt

1 MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I dr inż. Hanna Smoleńska

2 Budowa stopów metali Po co stopy? Czy można mieszać dowolne składniki w dowolnych proporcjach?

3 Stop substancja składająca się z metalu stanowiącego 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

4 Rodzaje faz: stałe, ciekłe, gazowe Rodzaje faz stałych: pierwiastki, roztwory stałe, fazy międzymetaliczne

5 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

6 Roztwory stałe: Roztwory podstawowe: rozpuszczalnikiem jest pierwiastek Roztwory wtórne: rozpuszczalnikiem jest faza międzymetaliczna Roztwory stałe: międzywęzłowe (atomy składnika rozpuszczonego między węzłami sieci rozpuszczalnika) granicznenp. Fe z B, O, C, H, N różnowęzłowe (atomy rozpuszczalnika i składnika rozpuszczonego w węzłach sieci)- ciągłe lub graniczne ekspansja lub kontrakcja sieci

7 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).

8

9 Schemat struktury roztworu stałego różnowęzłowego dwuskładnikowego: A atomy rozpuszczalnika, B atomy pierwiastka rozpuszczonego 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.

10 Roztwór stały ciągły

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

12 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.

13 Nadstruktury W niektórych roztworach stałych różnowęzłowych, przy określonym stężeniu, ma miejsce przemiana nieporządek porządek w trakcie chłodzenia lub nagrzewania (nadstruktura). Wzory AB, AB 3, A 3 B

14 a) b) T Roztwór o strukturze nieuporządkowanej (a) i uporządkowanej (b)

15 Umocnienie roztworów stałych

16 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.

17

18 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

19 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.

20 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.

21 Wyraźna granica plastyczności i zjawisko starzenia odkształceniowego

22 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.

23 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 c 1 ( > c o ) 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

24 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.

25

26 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.

27 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!

28 Kryteria klasyfikacji faz międzymetalicznych: Stężenie elektronowe -stosunek liczby elektronów wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnejmożliwe stężenia 21/14(3/2), 21/13, 21/12(7/4) Wielkość atomów składników

29 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.

30 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

31 Przykłady faz elektronowych Fazy elektronowe nie wywierają one istotnego wpływu na właściwości stopów, w których występują

32 Fazy Lavesa (fazy o gęstym wypełnieniu przestrzeni ) Tworzą się przy stosunku promieni atomowych 1,05-1,68 Wzór AB 2 M.in. w stopach Fe, Mn, Cr i Mo z innymi metalami np. MgCu 2

33 MgCu 2 MgNi 2 MgZn 2

34

35 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.

36 Fazy o strukturach siatek kagome Fazy σ, P, R, µ, δ Charakter roztworów stałych wtórnych Powstają po długotrwałym wygrzewaniu roztworów stałych podstawowych

37 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

38 Przykłady faz σ, P, R, µ, δ

39 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.

40 Klasyfikacja w zależności od stosunku promieni metalu r M i niemetalu r X Gdy r X /r M 0,59, tworzą się fazy o strukturach prostych, o wzorach M 4 X, M 2 X, MX, MX 2 (układ regularny lub heksagonalny o prostych komórkach elementarnych) Gdy r X /r M > 0,59, tworzą się fazy o strukturach złożonych, o wzorach M 3 X, M 23 X 6, M 7 X 3, M 6 C (układ rombowy, regularny, heksagonalny o złożonych komórkach elementarnych) Azotki i węgliki typu MN i MC oraz M 2 N i M 2 C są izomorficzne (ten sam typ sieci krystalicznej) i cechują się wzajemną rozpuszczalnością. Możliwe jest więc tworzenie w stopach węglikoazotków typu M(C,N) i M 2 (C,N)

41 Struktury proste

42 Węgliki

43 Fazy międzywęzłowe o strukturach prostych wykazują: właściwości metaliczne, są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego, mają wysokie temperatury topnienia, są twarde, kruche odporne chemicznie.

44 Struktury złożone Struktura sieciowa cementytu Fe 3 C

45 Struktura sieciowa węglika Cr23C6

46

47 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.

48 Węgliki metali przejściowych

49 Azotki i węglikoazotki Azotki metali przejściowych

50 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 się w osnowie przy tworzeniu koherentnej granicy międzyfazowej, sprężystego odkształcenia sieci i pola naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy plastyczności Utwardzanie dyspersyjne: cząstki faz są wprowadzane w procesie wytwarzania; występuje granica nie koherentna

51 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

52