StopystopyStopy, z wyjątkiem stali, powstają na ogół jako połączenie dwóch lub więcej metali. Stal, która powstaje z połączenia żelaza z węglem (niemetalem), traktowana jest również jako stop, ze względu na swoją strukturę i sposób, w jaki domieszka węgla modyfikuje właściwości żelaza.

Stopy zachowują typowe właściwości metaliczne, choć na ogół różnią się od właściwości swoich składników. Zmiany te wynikają m.in. z wzajemnego oddziaływania na siebie atomów różnych pierwiastków tworzących stop. Jednak nie tylko stosunek zawartości poszczególnych składników decyduje o charakterystyce i właściwościach stopu. Kluczową rolę odgrywa przede wszystkim jego struktura wewnętrznastruktura stopustruktura wewnętrzna.

R1U9Rx14YzwsD

Ilustracja przedstawia pęk kluczy na okrągłej zawieszce.

Struktura wewnętrzna zależy od warunków wytwarzania, ale także może być zmieniana w różnych procesach technologicznych. Stopy mają strukturę wewnętrzną zdecydowanie bardziej skomplikowaną niż czyste metale. Jest to wynik tego, że atomy pierwiastków, które wchodzą w skład stopu, różnią się m.in. wielkością, konfiguracją elektronową oraz zdolnością do tworzenia związków międzymetalicznych. Te różnice powodują, że atomy mogą być rozłożone w objętości stopu na kilka sposobów.

Stopy wielofazowe (heterogeniczne)stopy wielofazowewielofazowe (heterogeniczne), czyli mieszaniny krystalitów (faz), mogą różnić się składem i/lub strukturą wewnętrzną. Dla pojedynczej fazy – krystalitu – możliwe jest występowanie zarówno związków między pierwiastkami, które ją tworzą, jak i wzajemnie podstawianie się atomów kilku pierwiastków. Jeśli różnice promieni atomowych i konfiguracji elektronowej są niewielkie, jak np. dla miedzi i niklu, to powstają tzw. stopy substytucyjne.

RjHAjwf6MXevy

Ilustracja przedstawia warstwy kulek leżących obok siebie. Większość kulek ma kolor czerwony, pozostałe, mniej liczne to kule niebieskie. Oba typy mają ten sam rozmiar.

Gdy promienie (bądź średnice) atomów tworzących stop oraz konfiguracja elektronowa są zupełnie inne, otrzymujemy stop międzywęzłowy, którego przykładem może być stal (złożona z węgla i żelaza).

R1dvtPFDutXYf

Ilustracja przedstawia warstwy kulek znajdujących się obok siebie. Kule mają kolor czerwony i znajdują się w równych odległościach od siebie. Między kulami czerwonymi znajdują się mniejsze, o barwie szarej. Jest ich mniej i są rozproszone.

Możliwe jest oczywiście połączenie wyżej wymienionych sytuacji – np. dla stali nierdzewnej atomy węgla mogą być rozmieszczone międzywęzłowo pomiędzy atomami żelaza i podstawiających go niklu i/lub chromu.

REaX93s6XxkI1

Ilustracja przedstawia warstwy kulek znajdujących się obok siebie. Kule mają kolory czerwony i niebieski oraz ten sam rozmiar. Znajdują się w równych odległościach od siebie. Między nimi znajdują się mniejsze, o barwie szarej. Jest ich mniej i są rozproszone.

Do badania struktury stopów zastosować można szereg metod, takich jak metody rentgenograficznestrukturalne metody rentgenograficznemetody rentgenograficzne, mikroskopowe – optyczne i elektronowemikroskop elektronowyelektronowe czy ultradźwiękowe. Ich zastosowanie pozwala na badanie struktury tworzyw metalicznych z różną rozdzielczością i na wielu poziomach – od rozmieszczenia poszczególnych składników stopu na poziomie atomów, aż do defektów widocznych gołym okiem, typu zmiana barwy, pęknięcia lub puste przestrzenie.

RQLiE7Wpuyg2s

Ilustracja przedstawia ostre wypustki znajdujące się na ogrodzeniu.

Przygotowanie próbek stopu do badań często wiąże się z polerowaniem czy wytrawieniem tak, aby uwidocznić elementy struktury. Ponieważ nawet bardzo cienkie próbki stopów są nieprzezroczyste, dlatego bada się je mikroskopami metalurgicznymi, gdzie wiązka światła odbija się od ich powierzchni. Z kolei zastosowanie mikroskopu elektronowego pozwala dostrzec wiele istotnych detali, np. pęknięć, pustych przestrzeni czy zmian gęstości.

Wykorzystanie metod rentgenowskich nie daje obrazów, ale pozwala na oszacowanie jednorodności rozłożenia atomów w krystalitach oraz wielkości tych kryształów. Struktura stopów bywa tak skomplikowana, że nawet jednoczesne zastosowanie wielu metod nie pozwala na uzyskanie pełnego obrazu struktury wewnętrznej metalu i wynikających z niego właściwości.

RP5O0JX2epKfB

Ilustracja postać grającą na saksofonie. Palce dłoni dotykają klawiszy.

Warto podkreślić, że dla stopów wyróżnia się pierwotne i wtórne struktury wewnętrzne. Pierwotne to struktury wewnętrzne materiału po jego wytworzeniu, natomiast struktury wtórne powstają w wyniku obróbki stopu. Zastosowanie metod, takich jak kucie, walcowanie, hartowanie, wyżarzanie, zmienia strukturę wewnętrzną stopu, a tym samym jego właściwości. Pozwalają one na bardzo różne zmiany w strukturze materiału. Dzięki nim możliwe jest np. zmienienie wielkości i rozmieszczenia ziaren krystalitów, usunięcie lub powstanie wewnętrznych naprężeń, czy nawet zmiana sposobu rozmieszczenia atomów.

Dobrym przykładem może być wytwarzanie mieczy i szabli poprzez wielokrotne przekuwanie i hartowanie metalu, dzięki czemu uzyskują jednocześnie dużą twardość i elastyczność.

RlGoLtolYXktt

Ilustracja przedstawia ozdobne kołatki do drzwi, obecne są wizerunki lwa, człowieka, liścia lub dłoni. Kołatki są przywieszone na drewnianej płycie.

W wyniku wyżej wymienionych działań oraz ich wpływu na właściwości stopu, ocena zmian w strukturze metalu jest ważna dla przewidywania trwałości stopu lub możliwości jego zastosowania. Badanie struktury stopu umożliwia zrozumienie jego właściwości wynikających z budowy wewnętrznej. Dokładne zbadanie struktury stopu umożliwia jego najlepsze wykorzystanie.

Słownik

Bibliografia

Jones L., Atkins P., Chemia Ogólna, Warszawa 2004.

Lautenschlager K. H., Schroter W., Wanninger A., Mlostoń G., Wiązania Chemiczne. Nowoczesne Kompendium Chemii, Warszawa 2007.

Metaloznawstwo, praca zbiorowa pod red. Marii Głowackiej, Gdańsk 1996.

Rudnik S., Budowa Stopów. Metaloznawstwo, Warszawa 1998.