W2 Stopy i fazy w stopach, Materiałaznawstwo I
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
mgr inż. Milena Dziębaj Wrocław, 12.05.2008 Materiałoznawstwo materiały pomocnicze do wykładu doc. dr inż. Grzegorza Pękalskiego dla Studentów Wydziału Mechanicznego kierunków Zarządzania i Inżynierii Produkcji, Mechatroniki i Studium Kształcenia Podstawowego Spis treści: Wstęp .......................................................................................................................................................................................... 1 Stopy ........................................................................................................................................................................................... 2 Budowa stopów ...........................................................................................................................................................................................2 Podział stopów ze względu na siły wzajemnego oddziaływania .................................................................................................................2 Roztwory stałe............................................................................................................................................................................. 6 Klasyfikacja roztworów stałych ..................................................................................................................................................................6 Roztwory stałe różnowęzłowe (substytucyjne).......................................................................................................................................6 Warunki powstawania roztworów różnowęzłowych ciągłych ...........................................................................................................7 Nadstruktury ......................................................................................................................................................................................7 Roztwory stałe międzywęzłowe .............................................................................................................................................................7 Fazy międzymetaliczne ............................................................................................................................................................... 9 Kryteria klasyfikacji faz ..............................................................................................................................................................................9 Cechy faz międzymetalicznych: ..................................................................................................................................................................9 Co wyróżnia fazy międzymetaliczne? ....................................................................................................................................................9 Rodzaje faz międzymetalicznych ................................................................................................................................................................9 Fazy elektronowe (Hume-Rothery) ........................................................................................................................................................9 Fazy Lavesa (najgęstszego ułożenia)....................................................................................................................................................10 Fazy międzywęzłowe ...........................................................................................................................................................................10 Fazy międzywęzłowe o strukturze prostej .......................................................................................................................................10 Fazy międzywęzłowe o strukturze złożonej ....................................................................................................................................10 Na zakończenie ......................................................................................................................................................................... 10 Wstęp W drugiej części materiałów zebraliśmy dla Was podstawowe i najbardziej przydatne informacje dotyczące stopów, roztworów i faz międzymetalicznych. Znajdziecie tutaj sporo zdjęć i rysunków, które mamy nadzieję, że pomogą Wam w nauce. Materiał powstał głównie w oparciu o znaną Wam już (przynajmniej z tytułu ) książkę profesora Leszka Dobrzańskiego, do której dodatkowo powinny zajrzeć osoby zainteresowane omawianymi tu tematami. 1 Stopy Czyste metale, szczególnie w stanie wyżarzonym (tzn. bez np. umocnienia przez odkształcenie plastyczne na zimno) mają małą wytrzymałość, zatem zazwyczaj nie znajdują zastosowania jako materiały konstrukcyjne i w technice stosowane są stosunkowo rzadko. Wymagania takie spełniają natomiast stopy metali , czyli substancje, które wykazują wszystkie cechy metaliczne, a nie są czystymi pierwiastkami. Stopy są to zazwyczaj substancje złożone, których składnikami są dwa (w stopach dwuskładnikowych) lub więcej pierwiastki stopowe 1 . W skład stopów metalicznych mogą wchodzić także niemetale. 2 Najczęściej dodatkami stopowymi w stalach są: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, V, Ti, Al i B. Poprzez odpowiedni dobór stężenia tych dodatków (od setnych procenta do kilkudziesięciu procent), ich rodzaju i ilości składników można w bardzo szerokim zakresie zmieniać właściwości i struktury stopów . Budowa stopów Budowa stopów w stanie stałym jest zwykle bardziej złożona niż budowa czystych metali. Decydujący wpływ na ich budowę mają wielkości sił wzajemnego oddziaływania atomów tworzących stop . Podział stopów ze względu na siły wzajemnego oddziaływania W zależności od wielkości sił wzajemnego oddziaływania atomów można wyróżnić trzy przypadki: 1. FAZY MIĘDZYMETALICZNE Między niejednakowymi atomami składników występują duże siły wzajemnego oddziaływania, przeważające nad siłami występującymi między atomami tego samego składnika . Wtedy w stopie powstają fazy o odrębnej sieci krystalicznej. Są to tzw. fazy międzymetaliczne . Fazy te mogą występować przy ściśle określonym składzie chemicznym, zgodnym ze stosunkiem stechiometrycznym składników. 3 Niekiedy fazy międzymetaliczne mogą występować w pewnym zakresie stężeń, w którym istnieje możliwość tworzenia roztworów na bazie związków międzymetalicznych. Legenda: Rys. 1: Fazy międzymetaliczne. 1 Należy też dodać, że co najmniej jeden ze składników stopów musi być metalem. 2 Jak już na pewno pamiętacie – stal jest przerobionym plastycznie stopem żelaza z węglem. Jeżeli tworzą je tylko te dwa pierwiastki to mamy do czynienia ze stalami węglowymi (niestopowymi). Jeżeli w skład oprócz Fe i C wchodzą jeszcze inne celowo wprowadzone dodatki to mówimy o stalach stopowych. 3 Przykład: Mamy składnik A o sieci A1 i składnik B o sieci A2. Mogą one utworzyć odrębną fazę o sieci krystalicznej złożonej, a ich relacje ilościowe można zapisać jako AnBm. Typy sieci krystalicznych znajdziecie w poprzednich materiałach do tego wykładu lub w książce Dobrzańskiego. 2 2. MIESZANINY FAZ Siły oddziaływania między atomami tego samego składnika stopu są większe od sił oddziaływania między atomami niejednakowymi . Wtedy w stopie występuja obok siebie kryształy składników, tworząc mieszaniny faz . Jeżeli mieszanina powstanie w czasie krystalizacji z cieczy (jako wyniki przemiany fazowej – eutektycznej ) – to nazwamy ją eutektyką ). Gdy mieszanina powstaje w toku przemiany zachodzącej już w ciele stałym (przemiana eutektoidalna ) to nazywamy ją eutektoidem . 4 Rys. 2: Mieszaniny faz. 3. ROZTWORY STAŁE Siły wzajemnego oddziaływania między atomami tego samego składnika oraz między atomami niejednorodnymi są zbliżone pod względem wartości. Wymieszanie atomów składników nie powoduje wtedy wzrostu energii tego układu, a powstałe kryształy tworzą jednorodną „mieszaninę“ niejednorodnych atomów . Skład owej specyficznej „mieszaniny“ może się zmieniać w pewnym zakresie stężeń. Kryształy takie tworzone przez niejednorodne atomy nazywmy roztworami stałymi . W przeciwieństwie do mieszanin eutektycznych i eutektoidalnych roztwory mają budowę mikroskopowo jednorodną i dlatego w opisywanym przypadku słowo „mieszanina“ zostało ujęte w cudzysłów. QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Rys. 3: Roztwory stałe. QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Rys. 4: Przykłady prostych wykresów równowagi, na których występują roztwory, mieszaniny i fazy międzymetaliczne. 4 W stopach Fe-C mieszanika eutektyczna składajaca się z austenitu i cementytu nazywa się ledeburytem . W tych samych stopach mieszanina eutektoidalna składajca się z ferrytu i cementytu nazywa się perlitem . 3 Zasadą w metaloznawstwie jest to, że lepiej zobaczyć, niż opowiadać. Zobacz zatem poniższe zdjęcia i zastanów chwilę, a na pewno zrozumiesz o czym jest tu mowa: Rys. 5: Stop Fe-C zawierający 0,08% C (pow. 2000x) Rys. 6: Stop Fe-C zawierający 0,77% C (pow. 1000x) Komentarz do Rysunek przedstawia stop Fe-C zawierający 0,08% węgla C. Widoczne na nim są ziarna o jednorodnej budowie roztworu stałego węgla w żelazie (A). Taki roztwór stały nazywa się ferrytem . Na granicach ziaren występują wydzielenia drugiej fazy . Jest to faza o strukturze złożonej – nazywa się cementytem i ma wzór chemiczny Fe 3 C (B). Zatem struktura tego stopu składa się z dwóch faz. Zazwyczaj opis takiej struktury jest formułowany następująco: struktura ferrytyczna z wydzieleniami cementytu na granicach ziaren. Nie można o tej strukturze powiedzieć, że jest mieszaniną ferrytu i cementytu, bo nie powstała ona w wyniku przemiany eutektycznej lub eutektoidalnej. Tylko w wyniku tych przemian powstają mieszaniny o charakterystycznej, najczęściej płytkowej budowie (patrz Rys.5.) Próbkę metalograficzną trawiono 5% roztworem HNO 3 w alkoholu. Taki odczynnik nazywa się nitalem. Gdyby na rysunku 4 nie było widocznych wydzieleń cementytu na granicach ziarn, mielibyśmy do czynienia z jednofazową strukturą ferrytu. Ponieważ jednak cementyt występuje, to obserwujemy dwufazową strukturę ferrytu i cementytu. Komentarz do Na rysunku widoczny jest stop Fe-C zawierający 0,77% węgla C. Struktura stopu jest płytkowa i składa się z dwóch faz. Pierwsza z tych faz (A) to ferryt, druga (B) to cementyt. Taka struktura jako całość nazywana jest perlitem . Jest on mieszaniną charakterystyczną powstającą w wyniku przemiany eutektoidalnej. Rys. 7: Hipotetyczny schemat struktury zawierającej charakterystyczne dla niej elementy. 4 1) Struktura cienkiej folii ze stali typu 15MnNb5 (P355NL1); ferryt z węglikami globularnymi, pow. 14000x. 2) Struktura stali typu 15MnNb5 (P355NL1); ferryt i perlit w układzie pasmowym, pow. 500x. 3) Struktura cienkiej folii ze stali typu 15MnNb5 (P355NL1); obszary perlitu w otoczeniu ferrytu, pow. 11000x. 4) Struktura stali typu 70Cr4; ferrytu, pow. 3000x, mikroskop skaningowy 5) Struktura cienkiej folii ze stali 38MnSi6; perlit, pow. 12000x 6) Struktura cienkiej folii ze stali 100Cr6; perlit po walcowaniu z chło- dzeniem w powietrzu, pow. 11000x 7) Struktura cienkiej folii ze stali 100Cr6; sfragmentowany perlit po wyżarzaniu sferoidyzującym udarowym, pow. 32000x. 8) Struktura cienkiej folii ze stali 100Cr6; sferoidyt po wyżarzaniu sferoidyzującym udarowym, pow. 20000x Rys. 8: Zdjęcia mikroskopowe ferrytu i perlitu (zaczerpnięte z książki L.Dobrzańskiego). 5 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |