SAVREMENI MATERIJALI

SAVREMENI MATERIJALI 2008

Seminarski radSAVREMENI METALNI MATERIJALI

SADRAJ

1.UVOD5

2.SAVREMENI I BUDUI RAZVOJ U PODRUJU METALNIH MATERIJALA72.2.Prvaci za potencijalan razvoj92.3.Nauna i tehnoloka podloga za razvoj oblasti112.4.Osnovno znanje neophodno za razvoj oblasti123.PRINCIPI IZBORA MATERIJALA13 3.1.Materijali-klasifikacija veza16

4.METALI I LEGURE METALA 184.1.Osnovne osobine metalnih materijala193.1.1. isti metali243.2.Kristalna struktura metala26Atomsko-kristalna struktura32Kristalografsko obiljeavanje ravni33Defekti u kristalnim reetkama353.2.1. Difuzija404.3.Faze u metalnim legurama42

5.PREGLED I RAZVOJ METALNIH MATERIJALA48 5.1.elini i eljezni livovi485.1.1. Tehnoloke trase i potreba za istraivanjem i razvojem elika525.1.2. Tehnologija proizvodnje i primjene elika535.1.3. Ultravrsti elici565.1.4. Visokovrsti konstrukcioni i visokovrsti niskolegirani59Mikrolegirani elici visoke vrstoe61Ugljenini konstrukcioni elici visoke vrstoe62Niskolegirani konstrukcioni elici termiki obraeni63Daljni smjerovi razvoja HSLA elika635.1.5. Nehrajui elici64Feritni nehrajui i vatrootporni elici65Martenzitni i precipitacijski ojaani nehrajui elici685.1.6.Alatni elici735.1.7.eljezni livovi79elini livovi (L)80Bijeli tvrdi liv (BTL)83Sivi liv (SL)85Nodularni liv (NL) (ilavi liv)92Temper liv955.2.Ostali metalni materijali995.2.1.Al i njegove legure99Osnovna klasifikacija legura aluminija101Legure aluminija koje se mogu oblikovati103Legure aluminija namjenjene livenju105Specijalne legure1065.2.2.Mg i njegove legure1075.2.3Ni i njegove legure109Legure tipa Monel (Ni-Cu legure) 110Legure sa specijalnim osobinama111Legure sa visokom mehanikim i korozionim osobinama kod povienih temperatura112 5.2.3.1 Superlegure1145.2.4.Bakar i njegove legure117Legure bakra118

6.LITERATURA123

1.UVOD

Strunjaci za materijale i tehnologiju, suoeni su sa sve slonijim i esto kontradiktornim zahtjevima eksploatacije sofisticiranih konstrukcionih elemenata. Oni se nalaze pred veoma sloenim zadacima optimizacije i materijala i tehnologija, uvaavajui ne samo slone zahtjeve uspjene funkcije, nego dovodei u istu ravan ekonomiju, ekologiju, reciklau i druge specifine zahtjeve (pouzdanost, industrijski dizajn i sl.).

Broj materijala od 1940. do danas eksponencijalno raste. Prema nekim tvrdnjama u posljednjih 60-tak godina u primjenu je ulo toliko vrsta materijala kao u svim prethodnim stoljeima. Procjene govore da se danas raspolae sa 70000 do 100000 razliitih vrsta materijala.

Iako je broj osnovnih vrsta znatno manji raznovrsnost se postie varijacijama sastava i strukture kao posljedice uslova dobijanja ili naknadne obrade.

U ezdesetim i sedamdesetim godinama XX-tog stoljea postalo je jasnije da rastue potrebe za raznovrsnim materijalima odreene mase i kvaliteta, moraju ukljuiti nemetalne materijale, npr. vjetake materijale za utedu teine kod automobila i aviona i keramiku za visokotemperaturne konstrukcione elemente. Fiziko-materijalna istraivanja se ine ipak razumljivim. Kristalografija, difuzija, fizikalne osobine, izuavanje grae, fazne transformacije itd. su osnova koja je potrebna za razumijevanje tehnoloko upotrebljivih materijala openito.

Rastua potreba kombinacija razliitih materijala i mogunost sveobuhvatnog opisivanja razliitih klasa materijala i konano kompozitni materijali predstavljaju svjetski trend. On ujedinjuje klasina samostalna podruja nauke o keramici, metalima i vjetakim materijalima u nauku o materijalima. Ova je disciplina esto oznaena kao Materials Science and Engineering, to se bazira na prirodnoj znanosti i aspektima tehnike znanosti. Njemaki izraz Werkstoffkunde je vie fenomenoloki i orjentisan prema primjeni materijala.

Znanost i inenjerstvo materijala smatra se uz informatiku, genetiku i telekomunikacije, generikom vrstom znanosti. Iz toga slijedi da se rezultati istraivanja prenose u druge grane znanosti i tehnike te dovode do razvoja novih proizvoda boljih osobina.

Progres u razvoju tehnikih materijala moe se posmatrati kroz elik, jer upravo elik obiljeava eru industrijske revolucije (od 1880. do 1970. godine). Njegova godinja proizvodnja na isteku XX stoljea iznosila je oko 900- 1000 miliona tona i vjerovatno e se zadrati jo dui niz godina. Uzroke treba traiti u poveanoj svijesti o zatiti okoline, zatim filozofiji odrivog razvoja (sustainable development), tj. nastojanju da se prirodni izvori koriste samo u opsegu osiguranja dugoronog koritenja od strane dolazeih generacija, kao i u injenici poveanja efikasnosti metalurkih procesa (kontinuirano livenje i si.), te u permanentnom poboljanju relevantnih tehnolokih svojstava. Tako imamo da dananji ultravrsti zavarivi konstrukcioni elici koji su proizvedeni visokosofisticiranom tehnologijom, razlikuju se od elika iste namjene iz pedesetih godina koliko i klipni avion i supersonini mlaznjak.Ni monumentalne graevine, bez savremenih elika ne bi se mogle izgraditi, posebno one u metropolama Azije i Amerike, a u skorije vrijeme i na svim kontinentima. Poveana sposobnost elika da prihvati elastina naprezanja preduslov je podizanja spomenutih graevina i na trusnim terenima. to se tie automobilske industrije jer je elik nezamjenljiv materijal uslijed sposobnosti akumuliranja energije sudara bolje od bilo kog drugog materijala. Tu su i svi drugi tehniki materijali, imaju zajedniku karakteristiku koja se ogleda u tome da je cilj smanjiti teinu materijala po jedinici proizvoda uz istovremeno poveanje stepena njegove sofisticiranosti, odnosno software-a, time se postiu viestruko pozitivni efekti za sve uesnike u lancu proizvoaa i korisnika odreenih materijala.

Svaki tehniki element ima svoj ivotni vijek, koji je najee limitiran zamorom materijala ili interakcijom sa okruenjem, iz ega proizilazi potreba da se posebna panja pokloni degradaciji materijala u interakciji sa okruenjem, pri emu se ne smiju zaboraviti ni radne temperature, kao ni vrste i intenzitet optereenja, takoer ni eventualno djelovanje trenja, zraenja ( , , , neutronsko, Rtg) i sl.

2. SAVREMENI I BUDUI RAZVOJ U PODRUJU METALNIH MATERIJALA

Napredak u oblasti tehnologije materijala obuhvata dostignua u slijedeim oblastima:

razvoj novih materijala, pobo1janje osobina poznatih materijala, uvodenje novih tehnologija. dostignua u razvoju materijala,

Promjene su rezultat ogromnog razvoja u nauci o materijalima i inenjerstvu. Bitno je poveanje razumijevanje strukture materijala, fundamentalnog znanja i meusobne veze sa osobinama. Tu takoer moemo i ubrajati i studije o ponaanju materijala u ekstremnim uslovima temperature, pritiska i napona imaju formirane osnove za moderne razvojne tehnike. Paralelan razvoj u usavravanju, mehanikom inenjerstvu, razvoju opreme, kompjuterskoj potpori u izvedbi, kompjuterskoj potpori u proizvodnji i kontrola kvaliteta osiguravaju monu modernu industriju efikasnih i ekonomski produktivnih razvojnih materijala.

Teko je tano odrediti ekonomske efekte savremenih materijala na svjetskom tritu materijala. U momentu njihovog stupanja na trite ekonomski efekti su mali. Glavni razlog je relativno visoka cijena i iz toga proizilazi da su esto ekonomski neopravdani. Npr. razvojni karbon/epoxy kompoziti su 5- 10 puta skuplji od aluminijskih legura koje se koriste u avio-industriji. Opravdanost razvojnih materijala je velika kada cijena nije presudni faktor. Ovaj faktor postaje sve vaniji u irokim oblastima primjena, kao npr. auto-industrija, avio-industrija, sport i medicina.

Dalji trendovi se mogu demonstrirati na nekoliko primjera. Slika 1. pokazuje da e slijedee generacije aviona sadravati znaajnije koliine savremenih materijala (kompoziti i legure Al-Li). Ova tendencija takoer je prisutna u industriji automobila, kao to je prikazano na slici 2. Tako imamo sa cijene (kotanja) za zamjenu lahkim materijalima date su na slici 3. Cijena raste ako se koriste medicinski materijali i finansijski efekti su predstavljeni na slikama 4. i 5. pojedinano.

Slika 1. Trendovi materijala koji se koriste za komercijale letjelice

Slika 2. Materijali za automobile

Slika 3. Cijena za zamjenu lahkim matrijalom

Slika 4. Ameriko trite protetike

Slika 5. Trendovi trita ortopedskih proteza

2.2. Pravci za potencijalni razvoj Razvoj i iskoritenje novih materijala je jedan od glavnih aspekata tehnolokog progresa i rezultirajuih pojava novih oblasti tehnologije. U ovoj oblasti znanje direktno utie na progres i dodatne vrijednosti proizvoda. Razvoj materijala u zemljama zavisi od historije te zemlje, stanja, nivoa industrijalizacije, resursa i aspiracija. Unatrag 10-tak godina razvoj materijala odvija se po novom obrascu - paradigmi - materijali kao vrijednost - a po klasinoj je bilo -materijali kao resurs.Postoji jaka tendencija da se zamjene tradicionalni materijali sa novim materijalima. Ali, mi ivimo u svijetu gdje su konvencionalni materijali osnova proizvodnje i industrije i mi se moramo suoiti sa injenicom da su za razvoj ovih materijala neophodne decenije istraivanja. Kroz saznanje njihovih osobina dobijaju se mogunosti za njihovo koritenje i poboljanje njihovih performansi. Takoer moraju se uloiti veliki napori za razvoj novih materijala, u cilju dobijanja materijala visoke vrstoe, kvaliteta i pouzdanosti. Glavni stimulansi u razvoju novih materijala su oblast industrije i aeronautika, proizvodnje ratne opreme i razvoj nuklearne energije. Akcent je stavljen na zamjenu performansi i nisku cijenu. Jedan od osnovnih tehnolokih zadataka je iznalaenje ekonomskih naina proizvodnje ovih materijala sa specijalnim osobinama tako da su prilagodljivi za druge industrije i da imaju visoke performanse ali da nisu preskupi. Osnovni problem postaje ponovno iskoritavanje ve koritenih materijala. Ovo ima vane ekonomske efekte. Bilo bi korisno kada bi se struktura proizvoda mogla napraviti tako da daje mogue lahko odvojiti komponente materijala i njih ponovo iskoristiti kada proizvod nije dugo koriten. U oblasti metala situacija je takva da njihov potencijal za poboljanje osobina e se i dalje crpiti i samo veoma osebujna nauna istraivanja mogu dati znaajna dostignua u toj oblasti. Takva istraivanja postoje i ve daju neoekivane rezultate. Primjeri su legure (shape-memory) ili potencijal ne moe biti u potpunosti iskoriten, intermetalna jedinjenja za lopatice turbina za visoke temperature i amorfni metali hlaeni prskanjem i tzv. nanokristalni metali sa ultra finom veliinom zrna bi jedinstvenim osobinama. U procesnim tehnologijama, mnogi novi smjerovi obeavaju dalji napredak. Tendencija je da se proizvedu skoro mrene forme komponente i takoer koriste procesi sa malom potronjom energije. Razliita ulaganja kod tehnike livenja, posebno kombinacijom sa toplim izostatikim presovanjem odlivaka ima velike mogunosti. Takoer, interesantne su metode metalurgije praha, naroito one bazirane na ultra-finoj veliini zrna. Nove tehnike procesa koje koriste kompjuterizovane tehnologije proizvodnje zadovoljavaju vie standarde, imaju veu poroznost i manji kart; to vodi ekonomizaciji u koritenju osnovnih materijala i smanjenju gubitka u svakom stadiju proizvodnje. Sve ove prednosti materijala su dobijene pronalaskom tehnologija neophodnih u industriji i nauci a prednosti tehnikih keramika su moda u sutini vie interesantne. Velik broj voih keramika je uvrteno u komercijalnu upotrebu. Ovi materijali su danas kandidati za primjene kao elektronske komponente, dijelovi struktura i bio-medicinske naprave. Primjena u elektronici i optici ukljuuje optika vlakna, poluprovodnike, elektronske transformatore, superprovodnike, senzore i stakla za zatitu od radijacije. Za strukturalne svrhe, interesantan je porast neoksidne keramike (silicijev karbid, silicijev nitrid, cinkov karbid itd.). Ova grupa materijala nema krte karakteristike konvencijalne keramike. Biomedicinske primjene se baziraju na dobroj kompatibilnosti sa organskim vlaknima. Dalje poboljanje u koritenju proizvoda od keramike e ovisiti od uvoenja novih procesnih metoda. U toj oblasti se oekuje veliki progres. Napredak ve postojeih uvedenih tehnika kao to je plazma-rotaciona elektroda proizvedena iz praha vruim izostatikim presovanjem, su potpuno nove razvijene metode. Primjeri su hemijski sintetici sa izuzetno ujednaenom, sferinom finom veliinom prakastog zrna i eksploziv udarno optereen od keramikih praaka, koji je ispitan kao dodatak sinteru da bi se poboljanla duktilnost. U razvoju polimera, iskustvenoi pristupi je zastario. Danas su poznati fundamentalni principi hemijskih spojeva i ujednaenost strukture polimernih materijala i daju osnovu za izvedbu osobina novih polimera. Ovo je glavna smjernica u daljem istraivanju, sa ciljem da se dobiju vri, laki, toplotno i koroziono otporni materijali i polimeri sa specijalnim e1ektrinim, optikim, magnetnim, biolokim ili hemijskim funkcijama. Dalji razvoj zavisi od novih poboljanih metoda proizvodnje tako da se dobije reproduktivnosti proizvoda i nia cijena komponenti. Kompozitni materijali su sistematski uvedeni u zadnjih nekoliko godina i mogu biti posmatrani kao realni materijali u budunosti. Oni su kombinacija najboljih osobina prethodno opisanih materijala-metali, polimeri i keramika i prema njihovoj preradi, mogu osigurati proizvode tako da nadmauju osobine pojedinanih komponenti. Glavni empirijski pristup je postepena izmjena prema naunoj studiji prirode fizike i hemijske veze razliitih materijala i veza izmeu kompleksnih mjeavina struktura te varijacije specijalnih i njihovih osobina. Istrauje se do nalaska najboljeg naina mijeanja razliitih materijala, tako da se dobije ujednaena struktura i postignu eljene osobine.

2.3. Nauna i tehnoloka podloga za razvoj oblasti

Razvoj novih materijala u prolosti je uglavnom bio empirijski, baziran na instruktivnom poimanju i iskustvu. U posljednjih 50 godina brzi napredak fundamentalnih znanja o strukturi materije, faznoj strukturi, hemijskoj vezi i transformaciji, mehanizmima deformacije vrstih tijela, i razvoj savremenih metoda mjerenja osobina razliitih materijala stvara vrste osnove za naunu izvedbu novih materijala sa unaprijed odreenim osobinama. Nauka o materijalima postaje mono sredstvo u napretku tehnike, koja se takoer osvre na ekonomske aplikacije. Paralelan razvoj procesnih tehnika, opreme i kontrolu i testiranje instrumenata prouzrokovalo je otkrie novih materijala. Pored toga, proizvodna industrija doivljava promjene kao rezultat procesa sa razvojem u procesnoj tehnici i veze razvoja materijala. Razvoj savremenih materijala zahtijeva multidisciplinarni napredak. Neki primjeri su: vrstoa metala se poveava uglavnom kao rezultat precipitiranjem metastabilnih i stabilnih faza, plastinom deformacijom faznih transformacija. Takoer je neophodno je tumaenje mehanikih osobina kroz znanje mikrostrukture, mehanizama reakcija vrstih tijela i mehanizama deformacija. Da se dobije upotrebljiv oblik obino se primjenjuje plastina deformacija i livenje. U prethodnom sluaju, bitno je poznavanje parametara kristalizacije, kao to je mehanizam napredovanja ovrivanja, prijenos toplote i ponaanje segregacija. Za oblikovanje metala plastinom deformacijom primjenjuje se mehanizam zatvorene interakcije i nauka o materijalima je preduslov za kvalitetne proizvode. Da bi razumjeli ponaanje metala pod visokim optereenjem i na povienim temperaturama potrebnpo je detaljno ispitivanje razliitih osobina, kao to je puzanje, mehanizam formiranja i kretanja dislokacija, kinetika precipitacije i formiranje i rast pukotine. Mehanizmi loma postaju veoma bitni za procjenu vijeka optereenih komponenti pri radu. U razvoju keramikih materijala, od osnovne vanosti su hemija vrstog tijela, poznavanje povrine i granine povrine i razmatranje termodinamike. Osobine prakastih povrina i njihove mikrostrukture moraju biti poznate (gustoa, ravnost povrine, aglomeracija, veliina, oblik i dr.). Sposobnost sinterovanja praha moe biti poboljana aktiviranjem upotrebom aditiva ili povrine. Difuzija, reakcije vrstog tijela, vlanost i interakcije vrsto-teno na visokim temperaturama odreuju osobine sinterovanih estica. Najbolji rezultati se dobiju simultanom primjenom pritiska i visoke temperature (vrue presovanje i vrue isostatiko presovanje), gdje plastinost estica takoer utie na ponaanje. Najvei problem predstavlja nadvladati krtost svojstvenu keramikim materijalima. Pored toga, uvoenje novih materijala sa boljom ilavosti (npr. silicij nitrid), koriste razraene metode, kombinovano sa npr. faznom transformacijom i napon-indukovanim formiranjem martenzita. Veoma znaajan napredak kod polimera je rezultat razvoja u organskoj hemiji. Razvijena je nova brana-hemija polimera. Uz interakcije hemijske veze, neophodno je potpuno razumijevanje mikrostrukture. Promjene u ureenju, amorfnoj i kristalnosti strukturi utiu na osobine materijala. Postoji velika mogunost kombinacije razliitih monomera da se dobiju novi polimeri, i kombinacije raz1iitih polimera da se dobiju nove strukture. Da bi ih primijenili kao inenjerske plastike moraju biti poznati mehanizmi deformacije, razvoj pukotine i pojava, korozija i ponaanje polimera pri porastu temperature. to se tie kompozita, logino je da osnova za njihov razvoj obuhvata sve znaajne naune oblasti. Ovisno od primjene, korozivne, mehanike, elektrine ili druge osobine su od primarne vanosti. Ovo je relativno nova oblast u nauci o materijalima, postoji jo mnogo otvorenih pitanja na koje treba dati odgovor. Npr., razvoj kompozita sa metalnom osnovom ima lagani progres zbog potekoa na visokim temperaturama i takoer zbog ogranienja u fundamentalnom razumijevanju procesnih varijabli i karakteristika materijala kao to su temperatura, djelimina veza izmeu metala i vlakana.

2.4. Osnovno znanje neophodno za razvoj oblasti

Znaenje vanosti materijala za ekonomiju svake zemlje, poboljanje proizvodnje i novi materijali zahtijevaju veliku koliinu informacija i znanja to uvruje tehnoloku i naunu osnovu tako da moe podrati strategiju razvoja akceptiranih materijala kao primarnu potrebu. Ova strategija moe odrediti optimalne smjernice za istraivanje i razvoj i proizvodnju materijala. Neke od relevantnih znaajnih tema su:

Obraivanje domaih osnovnih materijala u poluproizvode ili finalne proizvode podiu njihovu vrijednost. Rast je proporcionalan sa naunim i tehnikim nivoima odreenih subjekata. Razvoj novih naprednih materijala i organizacija njihove proizvodnje bazirana na zahtjevnom znanju ili vanosti tehnologije zahtijeva najvii stepen organizovanog naunog i tehnolokog angamana. Svaki razvoj industrije e trebati veliku koliinu tradicionalnog (domaeg) materijala. Pravilan izbor, uvoenje poboljanih materijala i tranzicija do novih naprednih materijala zahtijeva takoer solidnu naunu i tehnoloku osnovu. Organizovano ispitivanje materijala i kvalitetna kontrola mogu garantovati i visok nivo u svim navedenim oblastima. Uspjeno iskoritenje materijala ima veliki pozitivan uticaj na ekonomiju i esto na ekologiju. Ovo je vana stavka za nauku i tehnologiju.

Izbor materijala na prvom mjestu ovisi od lokacije resursa. S obzirom na to, utvrivanje vjerodostojnog podatka je neophodno, kao o poloaju i mjestu u svijetu. Mnoge odluke za uspostavljanje industrije u zemljama u razvoju su bazirane na studijama koje sadravaju neadekvatne informacije. Pored toga faktori za odreivanje izbora novog materijala zavise o tome ta se jo moe postii i ta je ve poznato. Visok stepen izbora materijala odreuje tehnologiju proizvodnje, mada mnoge take nisu uzete u razmatranje. Npr., kapacitet proizvodnog postrojenja mogao bi biti prilagoen oekivanom tritu. Da bi izbjegli velike investicije, novi materijali se esto proizvode u malim modularnim jedinicama. Poveanje kapaciteta se postie multiplikacijom modula. Nivo automatizacije i robotizacije moe ovisiti od tehnikog nivoa okoline i drugih takvih faktora. Mora se naglasiti da kompletna strategija materijala mora imati pouzdanu ekonomsku procjenu, baziranu na procjeni domaih resursa, identifikaciji i izboru trita i sredstava za istraivanje, razvoj i proizvodnju.

3. PRINCIPI IZBORA MATERIJALA

Kod izbora tehnikog materijala za konkretnu, definiranu primjenu mora se postaviti pitanje:

Koji materijal izabrati za neku specifinu namjenu. Kakav materijal je na raspolaganju i

Selekcija materijala najkrae se moe definirati kao finalna, praktina odluka u procesu inenjerskog dizajna, koja e odrediti konani uspjeh ili neuspjeh u procesu eksploatacije.Selekcija se moe grubo podijeliti u dva koraka:

a natjeaj izmeu osnovnih tipova tehnikih materijala i b selekcija optimalnog materijala.

Da se 1ake razumije proces selekcije navodi se primjer izbora materijala za izradu posude pod pritiskom, kakve se koriste u svemirskoj tehnici i posuda pod pritiskom, kakve se koriste u domainstvima.U prvom primjeru kriterijalne ve1iine su vrstoa, duktilnost i cijena, slika 6.

Slika 6. Dio izbora voenog za selekciju metala kao podesnog materijala za konstrukciju komercijalnih posuda pod pritiskom,

Ako se pet baznih materijala uvrsti u natjeaj vidi se da kriterij vrstoe zadovoijavaju metali, kompoziti i keramika, slijedei kriterij duktilnosti samo kompoziti i metali, a krucijalni kriteriji u ovom s1uaju-cijenu po jedinici proizvoda samo metali. Sa slike 6. vidimo da u konkurenciju ulaze tri uobiajena materijala- keramika, metal i kompoziti, a polimeri se odbacuju jer im niska inicijalne vrstoe. Drugi korak je selekcija specifine metalne legure za komercijalne posude pod pritiskom i predstavljen je na slici 7. Kao i u prvom koraku kljuni kriteriji su vrstoa, duktilnost i cijena.

Slika 7. Proces selekcije metalne legure za gasne posude

Uvaavajui specifine eksploatacione zahtjeve izbor prikladnog metalnog materijala suava se postepeno dok se ne doe do konanog izbora konkretne legure. Naravno da ovaj izbor zahtijeva duboko poznavanje irokog spektra fiziko-metalurkih i mehanikih osobina materijala, kao i tehnologija dobijanja osnovnog metala i postupka izrade finalnog konstrukcionog elementa. Sa druge strane potrebno je vladati specifinim znanjima iz oblasti standardizacije i kontrole kvaliteta. Finalni proizvod mora zadovoljiti i estetski kriterij industrijskog dizajna. Drugi primjer je izbor materijala za izradu posuda pod pritiskom, koje se koriste u svemirskoj tehnici. U drugom e sluaju, za razliku od prvog primjera, krucijalni kriterij je gustoa proizvoda, odnosno njegova teina. Na slici 8. predstavljen je prvi korak selekcije optimalnog materijala. Nasuprot primjeru sa slike 6. ovdje je selekcija materijala za konstrukcionu izvedbu posuda pod pritiskom odreena gustoa materijala.

Slika 8. Selekcija optimiranja materijala

Kao se to vidi sa slike broj 9. prema kriteriju gustine izabran je materijal-kompozit. Iz toga slijedi da se u ovom sluaju susree sa problemom zamjene materijala. Shema ovog postupka je prikazana na slici 9. Konani izbor i u ovom primjeru zahtijeva iroko i duboko poznavanje osobina svih tehnikih materijala.

Slika 9. Selekcija zamjene metala kompozitima

Kraj dvadesetog stoljea nosi peat naglog razvoja svih tehnikih materijala. U temelje tog razvoja ugraena su saznanja mnogih fundamentalnih naunih studija i odgovarajui razvoj procesnih tehnika. Takav pristup jaa ukljuivanje razliitih tradicionalnih podruja kao to su keramiko inenjerstvo, metalurgija, polimerna hemija, fizika vrstog stanja i fizika hemija. Tehniki materijali se dijele na pet osnovnih kategorija: metali, keramike (i stakla), polimeri, kompoziti i poluprovodnici. Prve tri kategorije mogu se dovesti u vezu sa razliitim tipovima atomskih veza. etvrta kategorija (kompoziti) ukljuuje kombinaciju dva ili vie materijala prethodne tri kategorije. Prve etiri kategorije obuhvaaju strukturne materijale. Peti tip (poluprovodnici) su posebna kategorija elektronskih materijala, prepoznatljivih po njihovoj unikatnoj, posrednoj elektrinoj vodljivosti. Razumijevanje osobina ovih materijala zahtijeva istraivanje struktura na submikro ili mikro nivou. Relativno dobra duktilnost izvjesnih metalnih legura u korelaciji je sa njihovom specifinom atomskom arhitekturom. Slino, razvoj transparentne keramike zahtijeva paljivu kontrolu mikroskopskog nivoa njene arhitekture. Tek kada se razumiju osobine materijala, moe se vriti selekcija odgovarajuih materijala za odreenu primjenu. Kao to je navedeno na konkretnom primjeru posuda pod pritiskom selekcija materijala vri se na dva nivoa. Prvi je izbor izmeu razliitih kategorija materijala. Drugi predstavlja natjecanje unutar odreene kategorije za optimalan materijal prema specificiranim zahtjevima. Inovacije unutar pojedinih grupa materijala mogu voditi ka selekciji alternativnog materijala za dati dizajn.

3.1. Materijali klasfikacija veza

Poznata su etiri tipa veza na atomskom nivou i to tri primarne (kovalentna, jonska, metalna) i jedna sekundarna (Van der Waals-ova). Time su odreena i tri tradicionalno razliita fundamentalno strukturirana materijala-keramike, polimerii metali, koji su u direktnoj vezi sa navedenim tipovima primarnih veza i to: polimeri-kovalentna; keramike-jonska i metali metalna.Tabela 1. ilustrira osnovne tipove materijala i njihovih veza.

Tip materijalaKarakteristina vezaPrimjeri

MetalKeramika i stakloPolimeriPoluprovodniciMetalnaJonska/kovalentnaKovalentna (VdW)Kovalentna/kov.+jonskaeljezo i legureSilika, Kristalna i nekristalnaPolietileni (-C2H4)Si/CdS

Grafiki ilustracija bazne klasifikacije tehnikih materijala prema tipu atomskih veza dana je na slici 10.

Slika 10. tetragonalno predstavljanje doprinosa razliitih tipova veza ka etiri fundamentalne kategorije tehnikih materijala

Razumijevanje veza na nivou atoma zahtijeva poznavanje strukture atoma. Hemijska priroda svakog atoma odreena je atomskim brojem (brojem protona i neutrona unutar jezgre). Priroda atomskih veza odreena je ponaanjem elektronskih orbita oko atomskih jezgri. Postoje tri vrste primarnih ili jakih veza odgovorih za koheziju vrstog stanja. Jonske veze ukljuuju transfer elektrona i nisu usmjerene. Elektronski transfer kreira par jona suprotnog naboja. Privlana sila izmeu jona ima Coulomb (Kulonovu) prirodu. Ravnotea jonskih povrina ustanovljena je pomou jakih odbojnih sila udruenih sa prekrivanjem dvije atomske jezgre. Neusmjerena priroda jonskih veza doputa da jonski koordinacioni brojevi odreuju efikasnost tanog geometrijskog pakovanja (oznaenog pomou odnosa radijusa). Kovalentne veze ukljuuju udruivanje elektrona i visoko su usmjerene. Ovo moe imati za posljedicu relativno nizak koordinacioni broj i otvoreniju atomsku strukturu. Metalna veza ukljuuje udruivanje delokalizovanih elektrona, a rezultat je neusmjerena veza. Rezultirajui elektronski gas/oblak ima za posljedicu visoku elektrinu provodnost. Neusmjerena priroda ove veze rezultira relativno visokim koordinacionim brojem, slino jonskoj vezi. U odsustvu transfera elektrona ili njihovog udruivanja mogu je tip slabe veze koja se naziva Van der Waals-ova veza. Ova veza rezultat je privlaenja izmeu trajnih ili povremenih dipola i od znaaja je samo kod temperatura u blizini apsolutne nule. Rezultirajua klasifikacija tehnikih materijala ukljuuje odreen tip veza ili kombinacija tipova za svaku kategoriju. Metali ukljuuju metalnu vezu, keramike i stakla ukljuuju jonsku vezu, ali obino u sprezi sa jakom kovalentnom vezom. Tipini polimeri ukljuuju jaku kovalentnu vezu uzdu polimerskog lanca, ali imaju slabu sekundarnu vezu izmeu susjednih lanaca. Sekundarno djelovanje veza u slaboj vezanoj strukturi daje karakteristino nisku vrstou i taku topljenja. Poluprovodnici su predominantno kovalentne prirode sa nekim poluprovodnim komponentama koje imaju znaajno jonski karakter. Najznaajnija grupa materijala, kako sa aspekta dananje proizvodnje i primjene, tako i po tradiciji i razvoju su metali. Njihova izvrsna kombinacija obradivosti i vrstoe preporuuje ih kao konstruktivne materijale, a njihova dobra elektroprovodljivost ini ih u elektroindustriji nezamjenjivim. Metali imaju tradiciju vie od hiljadugodinjeg razvoja-itava geoloka doba su poznata o njima-bakarno, bronano, eljezno doba ili epohe. U tehnoloki usmjerenom industrijskom dobu sa potrebama za jeftinijim a brojnim dobrim i konstruktivnim elementima sa ekstremnim zahtjevima u rastuoj masi nalaze primjenu visokoprovodne keramike, vjetaki materijali i na kraju kompozitni materijali kao konstruktivni materijali.

4. METALI I LEGURE METALA

Kada se govori o tipinom tehnikom materijalu, u javnosti se to povezuje sa modernom tehnikom praksom i najpoznatijim tehnikim materijalom-elikom. Ovaj svestrani konstrukcioni materijal ima vie karakteristika (tj. osobina) koje se uobiajeno zovu metalnim. elik je vrst i lako se oblikuje u praktine oblike. Njegova znatna i permanentna duktilnost (ili deformabilnost) je vaan dobitak u doputenim malim iznosima poputanja kod iznenadnih i opasnih preoptereenja. Mnogi ljudi koji su preivjeli zemljotres ili udarno djelovanje eksplozivne naprave znaju da su stakla na njihovim prozorima popucala, a da su metalni okviri zadrai svoju normalnu funkciju. Kod elika svjee presjeena metalna povrna ima svoj karakteristian metalni sjaj, a eline ipke dijele svoja fundamentalna svojstva sa drugim metalima: dobri su provodnici elektrine toplote i struje. U periodnom sistemu elemenata metali ine daleko najveu grupu (83). Najee koriteni metali u tehnikoj praksi eljezo i njegove legure (elici i livovi), zatim legure aluminija, bakra, nikla, magnezija, titana, cinka i olova. Metali i legure metala pokrivaju iroki opseg primjena svih tehnikih materijala, a prema tome i najvie istraivanja i razliitih tipova studija materijala. Mnoge korisne osobine metala i legura mogu biti poboljane kontrolom hemijskog sastava i poveanjem istoe. Npr., smanjenje oksida, sulfida, sadraja fosfora i sumpora u elicima poveava duktilnost, time se omoguava lahka prerada i koritenje teih sekcija u konstruiranju. Pored toga, ii metali imaju poboljanu otpornost na koroziju. Kontrolisano legiranje i mikrolegiranje elika kombinovano sa termo-mehanikim tretmanom rezultira u serijama tzv. visokovrstonih niskolegiranih elika, sa veoma sitnozrnastom strukturom zadravajui relativno dobru duktilnost. Veoma vaan napredak je postignut u materijalima za svemirske letjelice. Cilj je dobijanje visoko-specifine vrstoe, elik i konvencionalne Al legure su uspjeno zamijenjene titanovim i Al-Li legurama. Kod legura titana, odgovarajuim kombinacijama termiki postojane alfa faze sa vie duktilnom i nestabilnom (postojanom) beta fazom mogu se dobiti razliite osobine. Nedavno otkrivene Al-Li legure, sadre male dodatke bakra, cinka, magnezijuma, itd., imaju malu gustou i znatno poboljan modul elastinosti, koji ih ini atraktivnim za elemente krute strukture. Otkrie superlegura na bazi nikla za lopatice turbina koje poveavaju gornju granicu temperature plina, daje vee iskoritenje mlaznih maina. Koritenje konvencionalne polikristalne lopatice otporne na visoke temperature legirane niklom sa vatrootpornim metalima kao to su kobalt, volfram, tantal, molibden i dr., koji se kombinuju sa aluminijem i ojaavajuim precipitatima titana i dodacima za ojaavanje granicama zrna ugljika, hafnija, cinka i bora. Osjetljivost na lom poprenih granica zrna kod ovih lopatica rezultat je direktnog skruivanja lopatica u kojima su poprene granice eliminisane. Ovo je konani tok do lopatica od monokristala, kod kojih su eliminacijom elemenata za ojaavanje granicama zrna dalje poveane temperature topljenja i radna temperatura. Ove legure mogu se lahko tretirati na visokim temperaturama a poslije toga starenjem ostvariti znaajnu vrstou. Brzo skruivanje takoer ima znaajan uticaj na strukturu i osobine metala. Ispod ovih stanja mogu se dobiti amorfni staklasti metali koji imaju veoma sitnozrnatom strukturom zrna, visoke vrstoe i dobre duktilnosti. Otpornost na koroziju, visoke temperature oksidacije i tvrda povrina mogu biti poboljani tretmanom povrine kao to je taloenje para hemikalija, raspravanje plazme (jonizovanog plina), elektrotaloenje, i unoenje jona. Vana primjena specijalnih legura je u oblasti superprovodljivosti. Ova oblast dominira samo kod metala, samo savremeni keramiki materijali imaju superprovodljivost. Nove procesne metode znatno poboljavaju osobine metala. Uvoenjem vakuum topljenja i livenja, ime se olakava legiranje reaktivnim elementima, poveava se istoa taline i eliminiu gasni mjehurii iz metala. Pmou razliitih termomehanikih tretmania i kontrolisanim valjanjem uspjeno se poveavaju mehanike osobine elika i aluminijskih legura. Pored toga, nove procesne metode mogu poboljati iskoritenje metala i smanjiti kart. Npr., kod legura titana, glavni nedostatak je mali stepen iskoritenja materijala i visoka cijena proizvodnje. Otkovci titana imaju ovaj stepen manji od 15%. Uvoenjem tehnika koje zahtijevaju finalne dimenzije znatno se reduciraju gubitci materijala. Jedna od metoda je uvoenje livenja kombinovano sa vruim presovanjem. Slini rezultati se dobijaju metodama prakaste metalurgije. Prah se mijea u razliitim odnosima i tako proizvedene legure se ne mogu dobiti drugim metodama. Presovanjem, a kasnije sinterovanjem, ili vruim presovanjem, dobijaju se visokoprecizni dijelovi maina i tako izbjegava skupa proizvodnja dijelova maina. Kvalitet i osobine dijelova dobijenih metodom prakaste metalurgije ovise o veliini zrna praha i od odnosa povrine i parametara kompaktnosti. Ovi proizvodi esto premauju kvalitet livenih dijelova, to je veoma znaajan napredak u ovoj oblasti.

4.1. Osnovne osobine metalnih materijala

Metalni materijali su legure dvaju ili vie elemenata u razliitim kombinacijama. Tako su npr. elici legure eljeza sa ugljikom i dodacima mangana, kroma, silicija itd., aluminijeve legure sadre najee magnezij, bakar, cink; bakar se legira sa cinkom (mjed), kalajem i aluminijem (bronze), niklom (cupronikl) i si. isti metali imaju po teini relativno malu, ali veoma znaajnu primjenu npr. ist bakar i aluminij odlikuju se veoma dobrom elektroprovodnou, zbog ega se koriste kao elektrini provodnici; isti cink, bakar i aluminij imaju najveu otpornost prema atmosferskoj koroziji, pa se esto koriste u graevinarstvu iii kao zatitne prevlake metalnih elemenata. Neki se metali u istom obliku koriste i u elektronici. Germanij ali i silicij elementi poluprovodnici, radikalno mijenjaju svoje fizike osobine u prisustvu stranih atoma ve kod koncentracije reda 10exp-6 ppm-a. Dalji razvoj metalnih materijala pokreu zahtjevi relativnog snienja cijene kotanja materijala, dakle dobijanja istog materijala uz nie trokove proizvodnje (u metalurgiji se prvenstveno tei ka snienju specifine potronje energije i smanjenju dodataka skupih legirajuih elemenata) ili materijala sa boljim svojstvima po istoj ili slinoj cijeni. Zato su opti ciljevi razvoja: poveanje duktilnih i vrstonih svojstava, ilavosti, deformabilnosti, otpornosti na koroziju i habanje, proirenje temperaturnog podruja upotrebe i to kako na povienim, tako i na snienim (kriogenim) temperaturama, poboljanje zavarivosti, poboljjanje fizikalnih (prvenstveno magnetnih i elektrinih) svojstava, te u novije vrijeme ekoloka podobnost proizvodnje, prerade, upotrebe i, to je naroito vano, reciklae materijala. Danas su uvrijeene dvije mogunosti poboljanja osobina metalnih materijala. Prva je bolje razumijevanje i ovladavanje efektima sastava, primarnim i sekundarnim komponentama, kao i mikrostrukturom i njenom vezom sa osobinama, to se otvara mogunost racionalizacije sadanjih materijala i procesa proizvodnje, a druga je aplikacija novih postupaka u industriji, kao to su pozitivni primjeri proizvodnje amorfnih metala, metalnih i drugih kompozita i pseudo-legura. Fundamentalne tehnike osobine metalnih materijala predstavljau direktni rezultat njihove strukture. Takve osobine kao to su duktilnost i vrstoa esto su osjetljive na neznatne varijacije strukture, od kojih su neke makroskopske, druge mikroskopske, a ponekad ak i na nivou atoma. Prema tome, za kontrolu osobina materijala i integralno koritenje njihovog optimiranja mora se izuzetno duboko poznavati strukturu materijala. Metali su klasian primjer tzv. historijski zavisnog materijala. Njihove konane osobine su pod uticajem i mijenjaju se kroz historiju primijenjenog procesa prerade. Pojedinani detalji kontrole i topljenja procesa rafinacije rezultiraju istoom, odreujui tip i prirodu bilo kog uticajnog oneienja. Inicijalni proces skruivanja prua strukturne defekte, koji se mogu prenijeti sve do finalnog proizvoda. Preliminarne operacije, kao to su valjanje traka i limova, esto rezultiraju anizotoprijom osobina, o emu se mora voditi rauna u toku slijedeeg procesiranja. Veoma je vano saznanje o primijenjenim tehnolokim operacijama u toku njegovog dobijanja, budui da one znaajno utiu na njegovu podatnost daljoj preradi, kao i na konane osobine proizvoda. O eljezu i njegovim legurama, kao daleko najrairenijem i najpoznatijem konstrukcionom materijalu, sa najirim spektrom upotrebnih svojstava nije potrebno posebno govoriti, jer su principi njegova dobijanja i prerade ope poznati. Neeljezni metali i legure imaju sve veu ulogu u savremenoj tehnologiji. Zbog njihovih brojnih injenica, veoma iroko varirajuih osobina, oni odreuju limitirajui opseg osobina za proces dizajniranja. Mada se oni ne proizvode u tako velikoj tonai i kotaju mnogo vie od eljeza i njegovih legura, ovi metali esto imaju posebne osobine koje nisu mogue kod eljeznih metala:

1. Otpornost ka koroziji 2. Laka prerada 3. Visoka elektrina i termika provodnost 4. Mala gustina 5. Boja

Premda se otpornost koroziji moe postii kod posebnih legura eljeza, veina neeljeznih metala posjeduje to svojstvo bez potrebe za dodatkom specijalnih i skupih legirajuih elemenata. Skoro sve neeljezne legure posjeduju najmanje dvije od navedenih pet, a neke i svih pet osobina. Za mnoge aplikacije veoma je poeljna specifina kombinacija ovih osobina, a mogunost materijala da njima direktno ovladava predstavlja jaku motivaciju za koritenje neeljeznih legura. U mnogim su sluajevima neeljezne legure inferiorne u pogledu vrstoe u odnosu na elike. Takoer im je i modul elastinosti znatno nii, to je injenica koja ih ini nepovoljnim kada je traeno svojstvo krutosti konstrukcionog elementa. Ove legure sa niskom takom topljenja esto su lake za livenje i u pjeane i u konti i u matine kalupe. Mnoge legure imaju visoku duktilnost povezanu sa niskim naponom teenja, to je idealna kombinacija za visoku deformabilnost i laku hladnu preradu. Dobra obradivost rezanjem je takoer karakteristika mnogih neeljeznih legura. Utede prerade esto prevladavaju visoku cijenu neeljeznih metala i favoriziraju njihovo koritenje umjesto elika. Jedina oblast prerade u kojoj su neeljezne legure inferiorne u odnosu na elik je zavarivanje. Danas je mogue dobiti zadovoljavajui zavareni spoj kod svih neeljeznih legura, jer je dolo do velikog razvoja tehnike. Specifinost osobinama metala daje sila vezivanja metalnih atoma. Sila vezivanja se definie kao metalna veza. Metalnu veza predstavljena je tako da svaki atom metala u reeci odaje u prosjeku jedan elektron spoljne elektronske ljuske i na taj nain sam ostaje pozitivno naelektrisan. Osnovni elementi grade reetke su pozitivno naelektrisani joni. Elektroni se slobodno kreu izmeu jona i ine elektronski plin, slika 11. Kod uspostavljanja elektrinog napona, svi slobodni, pokretni elektroni bie pokrenuti u jednom pravcu brzinom od 1 cm/s. To kretanje predstavlja usmjreno kretanje elektrona, koje se naziva elektrina struja. Iz toga slijedi da visoka elektrina provodljivost metala je posljedica lake pokretljivosti elektrona. Kod ostalih materijala kao npr. dijamanta, elektroni nisu slobodno pokretljivi, pa ne postoji ni dobra elektrina provodljivost. Kod materijala koji slue kao izolatori ni kod jako visokog napona ne dolazi do transporta elektrona.

Slika 11. Shematsko prikazivanje metalne veze

Metali se rastvaraju kao pozitivni joni u elektrolitima. Ovi joni ve postoje u metalnoj reeci i treba da budu osloboeni metalne veze i prevedeni u elektrolit. Razliita je mo rastvaranja jona pojedinih metala . Mjera za to je normalni potencijal dat u tabeli 3.

MaterijalElektrina provodljivost ()

Bakar6.5*

Aluminijum4,1*

eljezo1,1*

Mermer

Dijamant

Kuhinjska so

Tabela 2. Elektrina provodljivost nekih metalnih i nemetalnih materijala

Potencijal metala je vaan za otpornost na koroziju. Ukoliko je nia vrijednost potencijala, utoliko je manja otpornost na neki hemijski napad.

MetalNormalni potencijal V

Na+-2,710

Mg++-1,550

Cr++-0,510

Fe+++-0,540

Cu+++0,345

Tabela 3. Normalni potencijal metala

Metalna veza odreuje metalne osobine: sposobnost za plastinu deformaciju, otpornost prema deformaciji i ojaavanje. Skoro svi materijali mogu se do izvjesnog stepena plastino deformisati, ali samo mali broj materijala se moe jae i trajno deformisati. To su metali, plastine organske mase i plastelin. Metali pri plastinoj deformaciji postaju sve vei i otpornost prema deformaciji im raste. Ova tehniki veoma vana osobina naziva se hladno ojaavanje. Podaci u tabeli 4. daju osobine tehniki istih metala.

MetalNapon teenja MPaZatezna vrstoa MPaIzduenje (%)Kontrakcija (%)

eljezo100-120200-15050-6080-90

Aluminij25-3580-10040-5080-95

Bakar80-100200-25050-6070-80

Tabela 4. vrstona svojstva tehnikih vanih istih metala (mehko arenih)

Mnoge osobine metala se moraju uzeti kao anizotropne to znai da one zavise od kristalografskog pravca. Elektrina provodljivost, magnetne osobine, termiko irenje i termoelektrina sila su, takoer, osobine koje zavise od kristalografskog pravca. Kristalna anizotropija je primjetna pri deformaciji grubozrnastog materijala, naroito hladno valjanih i vuenih metala. Zatezna vrstoa hladno valjanog lima zavisi od toga da li je epruveta za kidanje okomita ili paralelna na pravac valjanja.

Osobine metala pri zarijavanju

Pri zagrijavanju metala moe doi do znatne promjene strukturne grae. To znai da su tehniki metali polikristalni i da se na granicama zrna nalaze atomi koji ne zauzimaju regularna mjesta u reeci. Atomi susjednih kristala djeluju svojim silama na ove nestabilne atome, teei da ih uklope u sastav svog kristala. Pri relativno niskim temperaturama, u odnosu na taku topljenja, pokretljivost atoma izrazito mala tako da ovi ne mogu da se povinuju djelujuim silama. Kako se poveanje temperatura ima tako se poveava i pokretljivost atoma, te ih privlai najstabilniji susjedni kristal. Na taj nain dolazi do poveanja stabilnijih kristala, na raun nestabilnih. Apsorbovanje nestabilnih kristala od strane stabilnih susjeda deava se utoliko bre i potpunije ukoliko je temperatura via, a time i pokretljivost atoma vea, i ukoliko se due metal dri na povienoj temperaturi. Krajnje stanje kome se tei, je monokristal bez granica zrna, ali se ovo uobiajenim temperaturama i vremenima arenja, primjenjivim u tehnici ne postie. Nepaljivim arenjem nastaje nepoeljno, krupno zrno. Stvaranje krupnog zrna uslijed suvie visoke temperature ili dugog vremena zagrijavanja naziva se pregrijavanje. Lagano hlaenje sa temperature arenja djeluje u istom smislu i dovodi, takoer, do okrupnjavanja strukture. Postoji niz metala koji zagrijavanjem u vrstom stanju mijenjaju atomski poredak. Ova osobina naziva se alotropija. Transformacije su reverzibilne i zagrijavanjem ili hlaenjem na odreenu temperaturu, moe se dobiti stabilna modifikacija. Temperature transformacije su tano definisane. Temperatura transformacije pri zagrijavanju moe biti razliita od temperature reverzibilne transformacije. Ova osobina se jo naziva histereza. Poloaj taaka transformacija dalje zavisi od stepena istoe, odnosno od od brzine zagrijavanja i hlaenja i legirajuih dodataka kao. Tehniki najvaniji metal, eljezo, nalazi se u tri alotropske modifikacije: -ie1jezo, - eljezo, -eljezo. Ova injenica je jedan od najvanijih preduslova da se eljezo koje sadri ugljik (elik), moe kaliti i pobojati. Na tako postignutim mehanikim osobinama (vrstoa, tvrdoa i napon teenja) zasniva se iroka primjenljivost elika. U tabeli 5. date su modifikacije vanijih metala. Transformacije pojedinih modifikacija povezane su sa velikim problemima svih osobina, na primjer: specifine zapremine, elektrine provodljivosti i sadraja toplote. Upotrjebljena, odnosno osloboena, toplota transformacije dovodi do odgovarajue take zastoja na krivima zagrijavanja ili hlaenja, slino kao i toplote topljenja i kristalizacije pri faznom prijelazu teno-vrsto.

Promjena specifine zapremine, izazvane razliitim gustirnama slaganja atoma u reeci pojedinih modifikacija, dovodi do napona u unutarnjosti transformiranog metala, koji mogu biti tako veliki da dovedu do njegovog razaranja. Primjer za to je transformacija kalaja na niskim temperaturama. Atomi metala ostaju kruto i nepomino na svojim mjestima u reeci samo na apsolutnoj nuli. Spoljnim zagrijavanjem postie se da atomi ponu da osciliraju oko svojih poloaja. Ako je vea energija utoliko su vee amplitude oscilacija atoma. Unutranja energija metala povienjem temperature se poveava. Pri odreenom sadraju energije reetke, amplituda oscilacije atoma postaje velika tako da se reetka razgrauje. Metal postaje tean. Da bi se metalna reetka potpuno ragradila potrebna je odreena energija odnosno toplota topljenja. Pri daljem dovoenju energije poveava se pokretljivost atoma u rastopu. To dovodi do toga da metal isparava. Da bi se savladala privlana sila koja djeluje u gusto sloenom rastopu potrebna je znatna energija tzv. toplota isparavanja. Toplota isparavanja je neto vea od toplote topljenja (oko deset puta vea od toplote topljenja). Pri hlaenju, pare metala prelaze u tenost na temperaturi kondenzacije, pri emu se oslobaa toplota kondenzacije. Kod daljeg odvoenja toplote rastop na temperaturi ovrivanja ili temperaturi kristalizacije prelazi u vrsto stanje, pri emu se oslobaa toplota kristalizacije ili ovravanja. U pogledu brojanih vrijednosti, meusobno odgovaraju slijedee veliine:

temperatura isparavanja (Ti)=temperatura kondenzacije (Tk) temperatura topljenja (Tj)=temperatura ovravanja (T), toplota isparavanja (Qi)=toplota kondenzacije (Qij). toplota topljenja (Qj)=toplota ovravanja (Q),

4.1.1. isti metali

iste metale ini samo jedna vrsta atoma. Ovo je za praktine uslove idealan sluaj. Srednja istoa tehnikih metala iznosi od 99,9 do 99,9999%, to znai da isti metali sadre male koliine drugih metala i nemetalnih ukljuaka. Metali su polikristalni. Skruivanje metalnog rastopa se odvija preko siunih kristala koji se pri rastou meusobno ometaju. Na slici 12. dalje shematski prikaz ovravanja istog metala. U poetku kristalizacije kristali mogu slobodno da rastu i u rastopu se, zbog toga, stvaraju kristalni skeleti tzv. dendriti (a do c). Tokom daljeg skruivanja dolazi do popunjavanja skeleta i pojedinani kristali se poveavaju sve dok se meusobno ne dodirnu, kada dolazi do spreavanja daijeg rasta (a do f).

Slika 12. Sematski prikaz ovravanja metalnog rastopaUslovi ovravanja definiu broj pojavljenih zrna u jedinici zapremine. Veliina zrna nekog metala nije samo karakteristika metala, ve je i posljedica i prethodne obrade. Naime, arenje i plastina deformacija mijenjaju oblik i veliinu zrna. Stepen neistoe, takoer, utie na veliinu zrna. Ukoliko je sadraj neistoa vei struktura je utoliko sitnija. Kristali imaju pravilan raspored atoma. Poremeena graa kristala je na granicama zrna. Du granica zrna sudaraju se kristali razliite orijentacije. Oblast granice zrna odlikuje se veim brojem praznina i uslijed poremeenosti parametara reetka ima poveanu energiju. Neistoe se zbog toga, veim dijelom izdvajaju na granici zrna. Tehniki materijali moraju imati to sitniju strukturu jer je raspored neistoa ravnomjerniji a anizotropske osobine metala dolaze manje do izraaja. Krupnozrnasta struktura samo u nekim sluajevima ima svoje prednosti, kao primjer mogu posluiti legure za meke magnete (transformatorski i dinamo limovi) i kod zahtjeva za bolju obradivost skidanjem strugotine. Sitnozrnasta struktura materijala ima veu otpornost prema deformaciji i veu tvrdou. Tako npr. zatezna vrstoa monokristala eljeza iznosi 150 MPa, dok eljezo sa veliinom zrna od 0,005 pokazuje znatno poveanje zatezne vrstoe (300 MPa). Limovi za duboko izvlaenje moraju biti sitnozrni jer bi, u protivnom, nakon deformacije, imali hrapavu povrinu. Po granicama zrna moe doi do pomijeranja atoma tako da se metali plastino deformiu i pri naprezanjima manjim od napona teenja uz uslov da pri tome optereenje vremenski dugo djeluje. Ova pojava naziva se puzanje (trajno izduenje) zbog toga to promjena oblika ne ide preko kristalografski definisanih ravni i pravaca reetke, ve putem skokova pojedinih atoma na granicama zrna. Puzanje se kod cinka i olova moe zapaziti ve na sobnoj temperaturi. Kod elika poinje tek na 400 C. Razliita struktura zrna i granica zrna dovodi do toga da pukotina moe da prolazi du granice zrna (interkristalno) ili kroz zrno (transkristalno). Pukotina je obino na viim temperaturama interkristalna, a na niim temperaturama transkristalna. Pojava pukotina nema uvijek pravilnost pojave, te se kree i po granicama zrna i kroz samo zrno.

4.2. Kristalna struktura metala

Kako je ve poznato od 106 poznatih elemenata, 83 su metali. U modernoj verziji Mendeljejevog periodnog sistema elemenata datih u tabeli 6. nemetalni elementi su locirani na desnoj strani i odvojeni od metala u svakom horizontalnom redu sa tamnijom vertikalnom linijom. Elementi B, Si, Ge, Se, Te, Bi postavljeni tako da budu u sredini izmeu metala i nemetala, su metaloidi jer imaju neke osobine jednih a neke drugih.

Tabela 6. Mendeljejev PSEPrema novim podacima dosad je na zemlji otkriveno 112 razliitih atoma od kojih se uranij i plutonij mogu zadnji nai u prirodi, dok su ostali proizvod ljudske ruke izgled periodnog sistem prema zadnjim dostupnim podacima dat je na slici 13.

Slika 13. PSE (Periodni sistem elemenata)

U ovrsnutom i jednim dijelom u tenom stanju metali posjeduiju razliite tipine ososbine:

1. visoku toplotnu i e1ektrinu provodijivost, 2. odreeni temperaturni koeficijent elektrine otpornosti (elektrini otpor istih metala raste sa temperaturom, oko 30 metala pokazuju superprovodijivost, njihov elektrini otpor opada naglo na praktino nulu na temperaturama blizu apsolutne nule), 3. dobru refleksiju svjetlosti (metali su tamni i imaju specifiam metalni sjaj) 4. termiku emisiju, tj. sposobnost za emitovanje elektrona kod zagrijavanja, 5. daju se plastino deformisati.

Oni imaju karakteristine osobine svojstvene metalnim materijalima. Svi metali i legure imaju kristalnu gradu koju karakterie pravilan periodian raspored atoma (ili jona) u sva tri pravca, za razliku od amorfnih tijela iji su atomi nasumice rasporeeni. Metali dobijeni konvencionalnim metodama su polikristalna tijela koja sadre veliki broj sitnih kristala ( do cm veliine) razliito orijentisanih u odnosu jedan na drugi. Zbog toga nain njihove kristalizacije moe biti varijacija nepravilnog oblika, i tzv. kristalna ili zrnasta. Sve tipine osobine metala mogu biti objanjene sa injenicom da oni sadre visoko pokretnu ukupnu provodnost elektrona. Atomi metala imaju samo mali broj elektrona na spoljanjem energetskom nivou. Veza izmeu spoljanjih elektrona i atoma karakterie se radnom funkcijom (jonizacioni potencijal), tj. rad zahtijevan za premjetanje elektrona od izdvojenih atoma. Jonizacioni potencijal za metale varira od 4 do 9 eV, dok za nemetale premauje U pravilu 10 eV za pojedinanu jonizaciju (tj. za odvajanje samih elektrona). Jonizacioni potencijal intermedijalnih elemenata (Si, As, Se i dr.) je nivoa od 8 do 10 eV. Ti podaci ukazuju da su spoljanji elektroni metala u relativno slobodnom stanju, te formiraju elektronski gas, tj. oblak. Metalno stanje se pojavljuje u sloenim atomima, kada odmah poslije susretanja se pribliavaju zajedno, vanjski elektroni izgubljeni od njihovih veza koje definiu atome i postaju zajedno od njih svih, tj. oni su sakupljeni i kreu se izmeu pozitivno nabijenih i periodino smjetenih jona. Stabilnost metala napravljenog kao jon-elektron sistem je odreena sa elektrinim privlaenjem izmeu pozitivno nabijenih jona i sakupljenih elektrona. Interakcija izmeu izabranih jona i elektronskog gasa je nazvana metalna veza. Metalna veza je kombinacija kovalentne i jonske veze. Jaina veze u metalima je odreena sa silama odbijanja i privlaenja izmeu jona i elektrona, i te sile nisu otro odreene prirodom pravca. Atomi (ili joni) su smjeteni na takvom rastojanju jedan od drugog da je energija interakcije minimalna (slika 14.). To stanje, kako je dato na slici 14., definirano je kao ravnoteno rastojanje R0. Neophodno je izvriti odreeni rad za savladavanje sile odbijanja ili privlaenja da bi se doveli atomi ili joni blie nego to je rastojanje R0 ili dalje izvan ravnotenog rastojanja. U skladu s tim, atomi su locirani u definisanom redu u metalu, formirajui pravilnu kristalnu reetku koja odgovara minimalnoj energiji interakcije izmeu atoma. Varijacija potencijalne energije atoma u kristainoj reeci je ilustrirana na slici 14. Atomi ili joni zauzimaju pozicije koje odgovaraju minimalnoj potencijalnoj energiji. Atomi formiraju povrinski sloj koji ima viu potencijalnu energiju. Tipino metalno stanje ima visoku vezivnu energiju izmeu atoma.

Slika 14. Sile interakcije 2 atoma (A) i varijacije potencijalnog atoma u kristalnoj reeci (B)

Spomenute tvrdnje omoguuju da sve tipine karakteristike metala budu objanjene. Visoka elektrina provodljivost metala je uslijed prisustva slobodnih elektrona koji se kreu oko potencijalnog polja u reeci. Kako je ve navedeno, kada se temperatura podigne termalne vibracije jona (ili atoma) se poveavaju, formiraju se vakansije i svojstvena frekvencija potencijalnog polja slabi. To spreava kretanje elektrona, usljed ega je poveanje elektrine otpornosti. Na niskoj temperaturi, vibraciono kretanje jona ili atoma je drastino reducirano i elektrina provodnost se poveava. Kao rezultat formiranja elektronskih parova u nekim metalima imajui propisano kretanje na ekstremno niskim temperaturama (ispod 20 K) elektrina provodnost postaje beskonana. Taj se fenomen naziva super provodnost. Visoka toplotna provodnost metala je usljed primamo visoke mobilnosti slobodnih elektrona. Manji stepen je takoer usljed vibracionog kretanja jona (fonon komponente), ili rezultat je da se temperatura brzo izjednai u masi metala. Visoka plastinost metala je usljed periodinosti njegove atomske strukture i odsustva usmjerenog efekta u metalnoj vezi. U procesima plastine deformacije (kovanje, valjanje itd.) metala, tj. u premjetanju odreenih masa metala jedna u odnosu na drugu, veze izmeu jona (ili atoma) ne slabe. Kristali sa kovalentnim ili jonskim vezama, tj. sa usmjerenim vezama su krti jer te veze slabe pod deformacijom. Poznato je da su elektroni u atomu distribuirani preko energetskih nivoa. Po redoslijedu poveanja energije ti nivoi su: 1s, 2s, 3s, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 6d i 5f. Ovo je dio u kome su nivoi energije ispunjeni sa elektronima. Meutim, u metalima 4; 5 i 6 periode (od Sc preko Ni, od Y preko Pd, od La preko Pt, itd), 3d, 4d i 5d, kao i 4f, 5f nivoi su ispunjeni sa elektronima samo poslije nivoa 4s, 5s i 6s, slijedei njih respektivno, su gotovo popunjeni. Ti metali sa nekompletno popunjenim d i f nivoima su poznati kao prelazni metali. Drugi metali imaju kompletno popunjene d i f nivoe (iii imaju nezauzete d nivoe za metale niskih atomskih brojeva). Prelazni metali se razlikuju od drugih vrsta po njihovim osobinama. Njihove nekompletne unutranje elektronske d ili f podgrupe odreuju osobine prelaznih metala: promjenljivu valenciju, paramagnetizam, feromagnetizam odreenih elemenata (Fe, Ni, Co, Gd, Er, Tm i Ho), visoka toplota sublimacije i konsekventno visoka taka topljenja. U njihovom obinom strukturnom stanju, isti metali su nisko vrstoni i ne posjeduju, u mnogo sluajeva, traene fiziko-hemijske i tehnoloke osobine za odreenu upotrebu. Zbog toga oni se komparativno rijetko koriste u mainogradnji. Velika veina primijenjenih metala su legure. Legure se proizvode topljenjem ili sinterovanjem dva ili vie metala zajedno. Legure posjeduju tipine osobine koje pripadaju metalnom stanju. Hemijski elementi koji tvore leguru nazivaju se njenim komponentama. Legura se moe sastojati od dvije ili vie komponenti.

Koncepti faze i strukture, iroko primijenjeni u fizikoj metalurgiji su bili uvedeni za objanjenje konstitucije, transformacije i osobina metala i legura. Kombinacija faza u stanju ravnotee se naziva sistem. Faza je homogeni dio sistema koji ima slian sastav i slino stanje agregata kroz njihov volumen i odvojeno od drugih dijelova sistema graninim povrinama. Na primjer homogeni ist metal ili legura je jednofazni sistem. Stanje u kojem tena legura (ili metal) koegzistira sa njegovim kristalima je dvofazni sistem. Struktura se odnosi na oblik, veliinu iii meusobno ureenje odgovarajuih faza u metalima ili legurama. Strukturne komponente legure su njeni zasebni dijelovi, svaki ima jednu strukturu sa njenim karakteristikama. Razlika je napravljena izmeu makrostrukture (strukture metala ili legure kako je vidljivo ljudskim okom ili pri malim poveanjima: x30 ili x40) i mikrostrukture (strukture metala ili legure posmatrane pod mikroskopom pri velikom poveanju). Makrostruktura moe biti ispitana ili na prelomu ili na specijalno pripremljenom makropresjeku. Prouavanje preloma je najjednostavniji nain otkrivanja kristalne strukture metala. Za razliku od amorfnog tijela (staklo, smola itd.) kristalno tijelo ima granularni (kristalini) prelom (slika 15.a). Prelom ukazuje na veliinu zrna, specijalne odlike kod pretapanja i livenja (temperatura livenja, brzina i ravnomjernost kojom je legura hlaena itd.), koriteni termiki tretman i odgovarajui tome, pojedine osobine metala. Prelom se koristi kao kriterij odrezivanja tendencije elika ka krtom lomu. Ako je makrostruktura prouavana na specijalnim makropresjecima uzorci su isjeeni iz velikih (ingoti, otkivci itd.) ili mainskih dijelova koji su probueni sa jedne strane, ispolirani i nagrieni specijalnim reagensima. Ispitivanje makropresjeka moe prikazati oblik i raspored zrna u kovanom metalu (vidi sliku 15.); pravac linija teenja zrna (deformisanih kristala) kod otvorenog i zatvorenog kovanja u ukovnjima; defekte koji oteuju kontinuitet metala (porozitet, plinski mjehuri, kontrakcione upljine, naprsline itd.); hemijske nehomogenosti legure prouzrokovane kristalizacionim procesima ili koji rezultiraju iz termikog tretmana ili hemijskog termikog tretmana (cementacija, nitriranje i dr.). Mikrostruktura (slika 16.) otkriva uzajamni raspored faza, njihove oblike i veliinu. Mikrostruktura se izuava na mikroizbrusku koji je nainjen od metala koji se analizira. To je mali uzorak, pripremijen paljivim bruenjem jedne povrine, poliranjem i nagrizanjem nekim specijalnim reagensom. Mikrostruktura metala se posmatra pomou optikog ili elektronskog mikroskopa. Upotrebijivo poveanje optikog mikroskopa ne prelazi 1000 ili 1500 puta. Ovo omoguava posmatranje strukturnih detalja koji nisu vei od 150 ili 200 nm. Danas se nairoko koristi elektronski mikroskop za izuavanje strukture metala. Njegovo efektivno poveanje moe dostii 100000 i vie. Koritenje elektronskih snopova izuzetno kratkih talasnih duina (0,04 do 0,12x104 cm) omoguava razlikovanje detalja objekta koji su veliine 0,3 do 0,5 nm. Za mikroskope specijalne namjene mo razdvajanja ili rezolucija je oko 0,1 nm.

Slika 15. Mikrostruktura a) prelom ingota od cinka b) makrostruktura bakarnog ingota

Elektronski mikroskop, koji omoguava rezoluciju jednog ili dva reda vee veliine od rezolucije optikog mikroskopa, osigurava izuavanje fine strukture (substrukture) metala u detalje. Jedan od najvanijih prednosti elektronskog mikroskopa je izvodivost direktnog posmatranja detaija u kristalnoj strukturi. Za izbjegavanje sekundarne radijacije, koja iskrivljuje posmatranu sliku, esto se ne posmatra sam metal koji se izuava na elektronskom mikroskopu, nego tanki film laka, kvarca ili ee karbona koji se naziva replika. Ovakva replika se dobija sa povrine nagriene mikrosekcije (presjeka) ili sa povrine loma i ona reprodukuje sve karakteristike njenog reljefa zbog ega je replika sa stvarnom strukturom metala. U proteklim godinama iroko je koritena metoda direktnog istraivanja sa transmisionim snopom. Ovom metodom elektronske mikroskopije metali i legure se direktno posmatraju u formi vrlo tankih filmova (folija), priblino 10 nm i propusni su za elektrone, koji se rade iz veih uzoraka. Kvalitetne veze postoje izmeu mikrostrukture i mnogih osobina metala i legura. Jedan od osnovnih ciljeva fizikalne metalurgije je uspostavljanje kvantitativne veze izmeu strukture i osobina metalnih legura.

Slika 16. Mikrostruktura a) isto eljezo b) elik sa sadrajem C do 0,8% c) elik sa 1%C d) isti kao c), ali x5000Atomsko-kristalna struktura metala Atomsko-kristalna struktura podrazumijeva postojanje uzajamnosti smjetanja atoma koji se nalaze u nekom kristalu. Kristal sadri atome koji su rasporeeni u nekom definisanom redu koji se periodino ponavlja u tri koordinatna pravca. Kristali imaju dalji i blii red u rasporedu atoma. Koncept prostome ili kristalne reetke se koristi za opisivanje atomsko-kristalne strukture subatoma. Kristalna reetka je neka zamiljena trodimenzionalna mrea linija u ijim presjecitima su smjeteni atom (ili jon) koje metal sadri (vrsto kristalno tijelo). Primjer ovakve kristalne reetke je ilustriran na slici 17. Podebljane linije indiciraju najmanji paralelopiped koji moe biti uzastopno ponovljen du njegove tri ose gradei cijelu reetku kristala.

Slika 17. kristalna reetka

Minimalna zapremina kristala koji daje predstavu atomske strukture metala kroz njegov volumen se zove jedinina elija. Prostorne reetke se klasificiraju u sedam kristalnih sistema koji se baziraju na vezi izmeu ivica i uglova jedinine elije. Ivice jedinine elije (paralelopiped) se oznaavaju sa a, b i c, uglovi sa , , . Slijedee jednaine predstavljaju sedam kristalnih sistema: (1) triklinini sa abc i ; (2) monoklinini sa abc i8 ==,ali ; (3) ortormobska sa abc i ===; (4) heksagonalna sa a=bc, == i =; (5) romboedarska sa a=b=c i ==; (6) tetragonalna sa a=bc i ===; i (7) kubna sa a=b=c i ===. Kada samo jedan atom pripada jedininoj eliji u kristalnoj reetki ona se naziva prosta kristalna reetka. U sluaju da nekoliko atoma pripada jednoj jedininoj eliji za reetke se kae da su sloene, koje se mogu razmatrati kao kombinacija prostih reetki. Veina komercijalnih metala sadre veoma simetrino sloenu reetku sa gusto sloenim atomima, tako da imamo: prostorno centrirana kubna reetka, povrinsko centrirana kubna reetka i gusto sloena heksagonalna reetka. Uobiajeni predstavnici ovih tipova kristalnih reetki prikazani su na slici 18.

Slika 18. kristalne reetke metala i raspored slaganja atomaa) prostornocentrirana kubnab) povrinski centrirana kubnoc) gusto sloena heksagonalna reetka

Na slici 18 prikazani su atomi koji su predstavljeni sferama dovoljne veliine da bi sfere bile u dodiru jedna sa drugom . Jezgre atoma su veoma mala i okruena su ljuskama poredbeno niske gustoe. Atomi prostorno centrirane kubne reetke smjeteni su u takama jedne elije (slika 18.a), a jedan atom smjeten je u geometrijskom centru zapremine kocke. Kod slijedeih metala moe se nai ovaj tip kristalne reetke: Rb, K, Na, Li, Ti, -Zr, -Tl, Ta, W, V, -Fe, Cr, Nb, Ba itd. Povrinski centrirana kubna reetka ima po jedan atom u svakom uglu kocke i po jedan atom u centru svake stranice kocke (slika 18.b.). Za ovaj tip reetke su tipini slijedei metali:-Sr, Th, Pb, Sc, Ni, Au, Ag, Pd itd. Kod heksagonalne gusto sloene reetke (slika 18.c.) po jedan atom je smjeten u svakom uglu i u centru heksagonalne stanice, dok su tri atoma smjetena u sredinjoj ravni heksagonalne prizme. Takvo slaganje atoma karakteristino je kod atoma: -Hf, Mg, -Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, -Co, Be, -Ca, , -La, -Tl i -Zr. Odreeni metali (-Sn i In) imaju tetragonalnu reetku. Slaganje kristalnih reetki je oznaena koordinatnim brojem. To je broj najbliih jednako udaljenih susjednih atoma koji svaki atom ima u datoj kristalnoj strukturi. Atomi su gue rasporeeni to je koordinatni broj vei. Kod prostorno centrirane kubne jedinine elije minimalno rastojanje izmeu atoma je d=

Slika 19. grafiki prikaz broja atoma lociranih na jednakim minimalnim rastojanjima od datog atoma (A) kod razliitih tipova kristalnih reetaka a) C12; b) C8; c) H12

Faktor prostora, definisan je kao odnos volumena zauzetog atomima u odnosu na volumen elemenarne elije, koje je 68% u ovom sluaju. Za povrinski-centriranu kubnu reetku koordinacijski broj je 12 (C12), pri emu svaki atom ima 12 najbliih susjeda na rastojanju (slika 19.a). Heksagonalna gusto-pakovana reetka ima koordinacijski broj 12 (H12), koji takoer odgovara najguem pakovanju sfera (slika 19.c.). Prelazni elementi (elementi koji se nalaze izmeu metala i nemetala) imaju komplikovaniju kristalnu reetku sa niskim koordinacionim brojevima. Na slici 20 prikazana je reetka bitmuta koja je takoer karakteristina i za druge elemente (As i Sb).

Slika 20. Kristalne reetke: a) bizmut b) dijamant

Poloaj atomskih ravni u prostornim reetkama odreene su Milerovim indeksima (h,k,l). To su tri cijela broja i oni predstavljaju reciprone vrijednosti odgovarajuih presjeka. Ti presjeci su rastojanja od poetka koordinatnih osa na kojima ravan presjeca svaku osu. Svaka ravan kocke (primjer obiljeavanja atomskih ravni) presijecaju samo jednu osu pri emu su presjeci jednaki (1,, ), (, 1, ) i (,,1) (slika 21a). Tada su reciprone vrijednosti jednake 1, 0, 0; 0, 1, 0; i 0, 0, 1. Milerovi indeksi ravni (hkl) su obino zatvoreni u malim zagradama i nisu odvojeni zarezima, kao npr. (100), (010) i (001). Osim ravni na povrini kocke (slika 21c) kubna reetka ima oktaedarske ravni(111) (slika 21c) rombine dodekaedarske ravni (110) (slika 21 b). Oznake se odnose na cijeli set paralelnih ravnina vie nego na pojedinane ravni i ponekad su obuhvaene vezama

Slika 21. oznaka kristalografskih ravni i pravaca u prostorno-centriranoj kubnoj reetci

Oznake pravcaKako bi odredili oznake pravca u rasporedu niza atoma u kristalnoj reetci, neophodno je iz porodice paralelnih ravni odabrati pravac ravni koji prolazi kroz glavne koordinate, potrebno je iz porodice paralelnih ravni odabrati pravac ravni koji prolazi kroz glavne koordinate. Prihvatanjem duine ruba jedinine elije kao jedinice, odreuju se koordinate svake take na ovom pravcu. Dobijanje vrijednosti koordinata taaka je reducirano na odnos tri najmanje cijela broja. Ovi brojevi (u v w) su oznake datog pravca i svih paralelnih pravaca. Glavni pravci u kubnoj reetci prikazani su slikom 21.d. Oznake za reetku su:x-osa-(100), y-osa-(010) i z-osa-(001). U kubnoj kristalnoj reetci oznake pravca okomito na ravan su brojano jednake Millerovim oznakama za ravan.

Anizotropija-Osobina metalPoznato je da gustine u rasporedu atoma lociranih na razliitim ravnima nisu iste. Zbog razliite gustine atoma u razliitim ravninama i pravcima , mnoge osobine metalnih kristala zavise od pravca na kojem su mjerene. Tako da anizotropijom nazivamo nehomogenost osobina monokristala u razliitim kristalografskim pravcima. Metali se takoer sastoje od velikog broja anizotropnih kristala. Kristali imaju statiki neureenu orijentaciju u odnosu na drugi kristal. to se tie sumarnih osobina, one su u svim kristalima prilino iste u svim pravcima, tako da moemo zakljuiti da je kristalno tijelo izotropno.

Defekti u kristalnim reetkama metalaSkoro svaki kristal ima defekte u svojoj strukturi, i ti defekti mogu se klasificirati prema geometrijskim osobinama, tako da imamo: takaste, linearne i povrinske defekte. Takasti defekti su mali du sve tri dimenzije. (slika 22). Takasti defekti ukljuuju:-vakansije (take u reetci u kojima su atomi odsutni (slika 22. a, b i d), i-intersticijski atomi

Slika 22. Defekti u kristalnoj reetci

Vakansije se uglavnom formiraju od atoma koji naputaju njihove uobiajne poloaje na takama reetke i izlaze na povrinu kristala ili zauzimaju mjesto nekog atoma koji je potpuno iezao sa povrine kristala, odnosno moga je da iezne i sa atoma koji su iskoili u intersticijsku poziciju. Atomi u kristali gotovo uvijek sadre kinetiku energiju koja je stvarno vea od srednje karakteristine vrijednosti na temperaturi na kojoj se kristal zagrijava. Atomi koji se nalaze blizu povrine mogu izai na povrinu, tako da njihovo mjesto moe biti zauzeto drugim atomima, koji oslobaaju mjesto u reetci. Tada moemo rei da se formira toplotna vakansija. Njihovo porijeklo su slobodne povrine, plinske upljine, pukotine i granice zrna. Koncentracija vakansija poveava se temperaturom. Broj vakansija na temperaturi blizu take topljenja moe rasti 1% od ukupnog broja atoma u kristalu. Na datoj temperaturi , nisu formirane samo pojedinane praznine u kristalu (slika 22.a) ili dvostruke ili trostruke ili ak jedna vea. Najee praznine su dvostrukog tipa (slika 22.b). Na normalnoj temperaturi ove praznine mogu ostati. Vakansije takoer nastaju i u procesu plastine deformacije i bombardovanjem metala sa visokoenergetskim atomom ili esticama. Intersticijski atomi (Frenkelovi defekti) se formiraju uskakanjem atoma u intersticijsku poziciju (slika 22.a). taj atom naputa prazno mjesto u odreenoj taki reetke koju je atom ranije zauzimao. Za veinu metala karakteristina je zatvorena reetka u kojoj energija koja je potrebna za formiranje intersticijskih atoma nekoliko je puta vea od one koja je potrebna za formiranje toplotnih vakansija. Zbog toga su intersticijski atomi rijetki u metalu i toplotne vakansije su glavne take defekata u takvim kristalima. Takasti defekti uzrokuju lokalnu deformaciju kristalne reetke (slika 22.c i d). Pomijeranje oko nepopunjenog mjesta u kristalnoj reeci deava se samo u prva dva sloja susjednih atoma i to je samo djeli meuatomskog rastojanja. Pomijeranje susjednih atoma oko intersticijskog atoma u gusto-pakovanoj reeci je znaajno vee od one oko vakansije. Linearne deformacije su veoma male u dvije dimenzije i rastu du tree dimenzije. Oni su nazvani dislokacijama (slika 23). Ivina dislokacija (slika 23., b i c) je lokalna deformacija kristalne reetke zbog prisustva extra atoma poluravni ili extra ravni okomite na ravan klizanja. Smicajna metoda je najlake ilustrovana metoda kojom se dislokacija formira u kristalu (slika 23.a). ukoliko je gornji dio kristala pomjeren u odnosu na donji za jedno meuatomsko rastojanje, zaustavlja se pomjeranje ako pomak obuhvati samo dio ABCD smaknute (pomjerene) ravni, dalje tada cijela ravan, od ivice AB, izmeu dijela gdje se pomak ve desio i ostatka smaknute ravni je dislokacija (slika 23.a). Granice extra ravni AB je linija ivine dislokacije ija duina moe dostii velika meu atomska rastojanja. Dislokacija moe biti konveksna ili ravna u oba smijera.

Slika 23. Ivine dislokacije a)pomak nastao ivinom dislokacijom b) trodimenzionalni dijagram ivine dislokacije c) i d) dijagram atomskog razmjetaja dislokacije

Ispod dislokacije atomi kristala su dosta odvojeni, dok su iznad atomi kristala vrsto zajedno (slika 23). Za dislokaciju kaemo da je pozitivna ako je ekstra ravan u gornjem dijelu kristala i obiljeena simbolom (slika 23.c). Negativna je ako je u donjem dijelu kristala i obiljeava se simbolom (slika 23.d). Razlika izmeu ovih dislokacija je potpuno posredna. Pozitivna dislokacija se prevara u negativnu ili negativna u pozitivnu zaokretanjem kroz kristal. Pored ivinih dislokacija postoje jo i zavojne dislokacije koje su prikazane na slici 24 u trodimenzionalnom modelu. To je okomita linija EF (slika 24.a) oko koje se atomske ravni savijaju u zavojnu povrinu. Kristal moemo posmatrati kao spoj od jednoatomske ravni u zavojnoj povrini (slika 24.b). Zavojna dislokacija se formira nepotpunim smicanjem u kristalu, tanije u ravni Q. za razliku od ivine dislokacije, vektor smicanja i zavojna dislokacija su paralelni. Ukoliko je zavojna dislokacija formirana u smijeru kazaljke na satu onda je to desna, a kretanjem suprotnim kretanjem kazaljke na satu je lijeva dislokacija. Jedna od najvanijih karakteristika bilo kog tipa dislokacije je energija deformacije kristalne reetke. Burgerov vektor je kriterijum deformacije. Kako bi odredili Burgerov vektor ivine dislokacije (slika 25) iscrtava se kontura ABCDE oko dislokacije. Kontura je iscrtana tako da iz take A nanesemo est jednakih meuatomskih rastojanja u smijeru suprotnom od kretanja kazaljke na satu: AB, BC, CD i DE.

Slika 24. Trodimenzionalni model koji prikazuje formiranje zavojne dislokacije EF zbog nepotpunog smicanja u ravni Q

Slika 25. Dijagram za odreivanje Burgerovog vektora linearne dislokacijea) dijagram ravni u stvarnom kristalub) reetka savrenog kristala

Kontura je zatvorena stranicom DA koja se sastoji od samo 5 meuprostora. Kod kristala bez ikakvih dislokacija, ova stranica se sastoji od est prostora. Razlika u duini konture je nazvana Burgersov vektor. Razlika u konturama je veliina reda meuatomskog rastojanja (). Kod ivine dislokacije, Burgersov vektor je okomit na liniju dislokacije. Burgersov vektor moe biti koriten za odreivanje sile potrebne za pomijeranje dislokacije, sile interakcije, energije dislokacije itd.

Slika 26. Dislokacije a) kod niobijuma; b) kod nehrajueg elika x 33000

Veoma vano obiljeje dislokacija je njihova gustoa i ona je definisana kao ukupna duina dislokacije L (u cm) po jedinici zapremine kristala V (u ). Dimenzionalna jedinica za gustou dislokacije je . Tako da vrijedi:

Gustoa dislokacije je odreena eksperimentalno raunanjem broja dislokacija koje su se pojavile na jedininoj povrini presjeka metalografskog uzorka. Uzorak se nagrize tako da se pokau plitke jame i take koje indiciraju dislokacije, koje se nalaze na povrini (slika 26). Jedna od najvanijih osobina dislokacija je ta da one privlae strane atome u svoje zone. Ova pojava se javlja kada atomi imaju nii nivo elastine zakrivljenosti strukture u zonama sa periodinim izvjetaenostima. Nedostatci na povrini u polikristalnom metalu su mali samo u jednoj dimenziji i tvore granine povrine izmeu odvojenih zrna ili njihovih blokova mozaike strukture. Svako zrno se sastoji od blokova ili podzrna koji formiraju tzv. mozaiku strukturu ili podstrukturu (slika 27.)

Slika 27. Blok (mozaika) struktura kristala a) shematski dijagram b) stvarna mozaika blok struktura Fe-Ni, legure, x50000

Zrna metala su razmjetena jedna u odnosu na drugu, ugaonom ravninom vrijednosti od nekoliko dijelova stepena sve do vrijednosti od nekoliko ili ak tuceta stepeni. Blokovi ili podzrna su nagnuti u odnosu na jo jednu ugaonu ravan za vrijednost ugla od nekoliko sekundi do nekoliko minuta i manji su za tri ili etiri reda veliine u odnosu na te kristale. Unutar granica svakog bloka, prostorna reetka je skoro idealna ako se zanemare takaste nesavrenosti. Veoma vano je poznavanje mozaine strukture, jer veina mozaika ili podzrna utie na osobine metala. Tranzitno podruje izmeu granine povrine odvojenih kristala iroko je od pet do deset atomskih rastojanja kod kojih reetka kristala ima odreenu kristalografsku orijentaciju, prelazei u reetku drugog kristala koji ima drugaiju orijentaciju. Posljedica toga su atomi koji su u graninoj povrini izmeu zrna mnogo nepravilnije rasporeeni u odnosu na atome unutar zrna (slika 28). Izvjesne nevrstoe su takoer koncentrisane u graninim zrnima metala za mainogradnju, otuda proizilazi daljnje poveanje nepravilnosti rasporeda atoma. Granina povrina blokova i granina povrina zrna niskog ugla formirana je od dislokacija, tako da se gustoa dislokacija poveava sa uglom razmjetaja blokova i smanjuje sa njihovom veliinom.

Slika 28. Model ilustruje rasporeivanje atoma i odstupanje potencijalne energije atoma u graninom sloju izmeu zrna i kroz zrna

Gustoa dislokacija je veoma velika jer je kod polikristalnih metala veliina blokova i zrna u graninoj povrini vrlo velika. Atomi u graninim povrinama zrna imaju viu potencijalnu energiju (slika28).

4.2.1. Difuzija

Mnogi osnovni procesi koji se javljaju u metalima i njihovim legurama su difuzijske prirode. Difuzija se odnosi na pomijeranje atoma unutar kristalnog tijela na rastojanja koja prekorauju prosjena meuatomska rastojanja date materije. Ukoliko ovo pomijeranje atoma nije u vezi sa promjenom koncentracije proces se naziva samo difuzija. Kada je difuzija praena promjenom koncentracije koja se javlja kod metala i metalnih legura sa poveanim sadrajem neistoa naziva se heterodifuzija. Difuzioni proces u kristalima se temelji na atomskim mehanizmima kod kojih svaki atom ima sluajno pomijeranje. Svaka teorija o atomskoj difuziji bi se trebala poeti sa razmatranjem mehanizama difuzije. Da bi objasnili proces difuzije kod vrstih kristalnih tijela predloeni su neki mogui mehanizmi difuzije: mehanizam izmjene, mehanizam zamjene, ciklini i mehanizam ugraivanja atoma u reetku. Prema ciklinom mehanizmu difuzioni prijelaz je skup pomijeranja grupe atoma (slika 29a). mehanizam izmjene je specijalni sluaj ciklikog mehanizma i ini ga izmjena mjesta susjednih atoma (slika 29b).

Slika 29. Mehanizam difuzione migracije atoma u kristalnoj reetci metala a) i b) promjene (jednostavne i cikline); c) substitucijske; d) intersticijskeKod mehanizam supstitucije atom mijenja mjesta tako to popunjava prazninu (slika 29c), dok kod mehanizma intersticije postoji atom koji prelazi u ravnoteno stanje najblie intersticije (slika 29d). kada se radi o metalima, difuzija se preteno odvija putem mehanizma supstitucije. Difuzija elemenata sa malim atomskim radijusom (C,N,H) kod metala se odvija prema mehanizmu ugraivanja metala u reetku. Mjeru difuzije moemo definisati kao koliinu materije M koja difundira kroz graninu povrinu u jedinici vremena. Koliina difuzije materije m (u jedinici vremena) zavisi od gradijenta koncentracije dc/dx u pravcu normalnom na graninu povrinu koji je proporcionalan koeficijentu difuzije D:

Gdje je : c-koncentracija x-odabranji pravac

Ova jednaina se naziva prvi Fikov zakon. Minus pokazuje da difuzija (samofifuzija) polazi u smijeru iz zapremine sa veom koncentracijom prema zapremini sa manjom koncentarcijom. Ako koncentracioni gradijent varira sa vremenom () proces difuzije je opisan drugim Fikovim zakonom:

U derivaciji ovog zakona smatrano je da koeficijent difuzije zavisi od kontrakcije. To vai za samo-difuziju. Sljedstveno tome, ova jednaina bi trebala da bude rijeena i rjeava se samo za granino stanje difuzije.Koeficijent difuzije D (, tj. koliina materijala koja difundira kroz jedinicu povrine (1 ) u jedinici vremena (1s) sa padom u koncentraciji jednakoj jedinici, zavisi od prirodne legure, veliine zrna i specijalno visokim stupnjem od temperature. Temperatura zavisnost od koeficijenta difuzije zadovoljava eksponencijalni zakon

Gdje su:-predeksponencijalni faktor, ija vrijednost je odreena tipom kristalne reetkeR-gasna konstanta, 8.314 (J/mol K)T-temperatura, K-aktivaciona energija, (J/mol)

Aktivaciona energija Ea difuzije odreuje energiju veze atoma u kristalnoj reeci. Vea vrijednost Ea, zahtjeva veu energiju da bi atom skoio iz poloaja ravnotee u reeci u drugi poloaj ravnotee. Preostala energija zahtjeva za takav skok se dobija iz atoma od njihovih susjeda jer atomi kontinuirano mijenjaju kinetiku energiju. Aktivaciona energija jedio eksponenta i to ima izrazit efekat na koeficijente difuzije

4.3.Faze u metalnim legurama

Kao rezultat varijacija fizikohemijskih interakcija komponenata prateih faza u legurama mogu biti formirani: teni rastvori, vrsti rastvori i hemijski spojevi.

vrsti rastvori

Faze u kojima jedna komponenta legure zadrava svoju kristalnu reetku i atomi druge komponente su smjeteni u reetci prve komponente, nazvane rastvorom, koji mijenja svoju veliinu naziva se vrsti rastvor. Vrsti rastvor sadri dvije ili vie komponenti, gradi jednu fazu i ima jedan tip kristalne reetke.Razlika je napravljena izmeu supstitucijskih i intersticijskih vrstih rastvora (slika 30a i b). da bi se formirao supstitucijski vrsti rastvor atomi B rastvorene komponente zamjenjuju dio atoma A rastvarajui ih u kristalnoj reetci. Rastvoreni atomi mogu zamijeniti bilo koje atome matriksa. Da bi se formirao intersticijski vrsti rastvor rastvoreni atomi su smjeteni u intersticije kristalne reetke rastvaraa (slika 30). Atomi koji su rastvoreni nisu zauzeli intersticije ve samo meuatomske prostore gdje imaju vie slobodnog prostora. Elektronska struktura i veliina atoma rastvaraa i rastvorenih atoma je razliita i iz toga slijedi da kristalna reetka kod formiranog vrstog rastvora je uvijek iskrivljena, a promijenjene su konstantne reetke (slika 30 a i b)

Slika 30. ematski dijagram supstitucijskog a) intersticijskog b)vrstog rastvora

Kada se formira supstitucijsko vrsti rastvor konstanta reetke se moe ili poveati ili smanjiti u zavisnosti od odnosa atomskih radijusa rastvora i rastvaraa. to se tie intersticijskog vrstog rastvora, konstanta reetke rastvaraa je uvijek poveana. Atomi rastvora se skupljaju u dislokacijama. Pri tome smanjuju svoju elastinu energiju slika 31 c i d. kada je rije o supstitucijskom vrstom rastvoru atomi rastvora manje veliine se skupljaju u zoni gdje je reetka sabijena a vei atomi se skupljaju u zonama gdje je reetka istegnuta. Kada se formira vrsti intersticijski rastvor atomi rastvora zauzimaju poloaje u prostoru koji je istegnut i koji se nalazi ispred ruba extra ravni (slika 31)

Slika 31. Iskrivljenje kristalne reetke kod vrstog rastvora a) i b) atomi komponenente B i C su sluajno smjeteni u reetci metala i c) i d) atomi komponenti B i C su premjeteni u dislokaciju, pri tome smanjujui energiju reetkeStrani atomi su lake prilagoeni podruju dislokacije nego ureenom podruju reetke gdje ovi atomi izazivaju stvarnu iskrivljenost reetke. Intersticijski su atomi vre spojeni sa dislokacijama nego supstitucijski i formiraju Cottrell atmosfere. Formiranje atmosfere praeno je samnjenjem iskrivljenosti reetke tako da unaprijed odreuje njenu stabilnost. Da bi se atom izdvojio iz Cottrell atmosfere zahtijeva se znatna energija. Mikrostruktura vrstog rastvora kada se nalazi u ravnotenom stanju sastoji se od homogenih kristalnih zrna i neznatno je drugaija od strukture istog metala (slika 32).

Slika 32. Mikrostruktura legura a) vrsti rastvor b) peritetika vrsta struktura (bijela povrina) i ' (tamna povrina) c) eutrktika mjeavina vrstih rastvora i ' d) eutektika mjeavina +' f) -vrsti rastvor i kristali CuAl2 (du granice zrna)U sluajevima kada se u kristalnoj reeci komponente mogu zamijeniti drugima u bilo kojem kvantitativnom odnosu, moe biti formirana neprekidna serija vrstih rastvora.

Supstitucijski vrst rastvor sa neogranienom rastvorljivou komponenti moe biti formiran ako su ispunjeni slijedei uslovi:

1. Komponente treba da imaju isti tip kristalne reetke (takve reetke su takorei izomorfne). Samo u ovom sluaju bie mogua kontinuirana tranzicija od jednokomponentne kristalne reetke do kristalne reetke drugaije komponente na temelju ega se mijenja koncentracija vrstog rastvora. 2. Razlika (R) veliina atoma komponenti treba da je veoma mala i ne treba prelaziti odreenu vrijednost (Hume Rothery-jev zakon). Za legure na bazi bakra ova razlika moe dostii vrijednost od 14 ili 15 %, pa do 9 % za legure na bazi eljeza. 3. Komponente trebaju pripadati istoj grupi u periodnom sistemu elemenata, iii susjednoj srodnoj grupi. Ovu vezu imaju atomi sa valentnim ljuskama sline strukture.

Na primjer, slijedei metali sa povrinski centriranom kubnom reetkom imaju neogranienu rastvorljivost u vrstom stanju: Ag i Au (sa ARO,2 %), Ni i Cu (sa AR=2,7 %), Ni i Pd (AR=1 0,5 %), Fe i Co, Fe i Cr, itd. Takvi metali kao to su Na, Ca, K, Pb, Sr, itd., koji imaju velik prenik atoma su nerastvorljivi u -Fe, Cu i Ag. Kontinuirani niz vrstih rastvora ne moe uvijek biti formiran, ak i ako se pridravaju svi prethodno nabrojani uslovi. Bakar, na primjer ne formira kontinuirani niz sa -Fe. Zakonitosti kompleksnih fiziko-hemijskih interakcija koje se odvijaju pri formiranju vrstih rastvora, jo uvijek nisu u potpunosti istraene. Intersticijski vrsti rastvori mogu biti formirani samo u sluaju da je prenik atoma rastvaraa male veliine. Iz ovog razloga, vrsti rastvori ovog tipa su primijeeni u sluaju kada je rastvara metal (na primjer, eljezo, molibden, krom, itd.) a rastvor je ugljik (atomski radijus 0,077 nm), azot (0,071 nm) ili vodonik (0,046 nm), tj. element sa malim atomskim radijusom. Intersticijski, vrsti rastvori, mogu biti ograniene koncentracije, jer broj meuatomskih prostora u reeci je ogranien, a preostali atomi osnovne komponente su u takama reetke. Funkcija ovog tipa vrstog rastvora je od posebne vanosti kod elika i livenog eljeza.

Ureeni vrsti rastvori (nad reetke)Kod izvjesnih legura (kao to su Cu-Al, Fe-Al, Fe-Si, Ni-Mn, itd.), koje formiraju supstitucijske vrste rastvore na visokim temperaturama (sa neureenim nizom atoma komponenti), atomi su podvrgnuti procesu ponovne raspodjele na odveenim temperaturama na temelju sporog hlaenja ili sporog zagrijavanja. Kao rezultat toga atomi komponenti zauzimaju odreene poloaje u kristalnoj reeci (slika 33.)

Slika 33. Kristalne reetke ureenih vrstih rastvora a( CuZn b( CuAu c) Cu3Au

U stanju potpune ureenosti, atomi jedne komponente zauzimaju sve take jedne podreetke, a atomi druge komponente zauzimaju sve take druge podreetke. vrsti rastvori koji su stabilni na relativno niskim temperaturama su nazvani ureeni vrsti rastvori ili superstrukture. Formiranje superstrukture je praeno sa promjenom u osobinama. Tako npr. formiranje superstrukture u legure Permalloy (Fe i 78,5 % Ni) drastino redukuje magnetnu provodnost. U isto vrijeme, tvrdoa raste, duktilnost opada i elektrini otpor je promijenjen. Potpuno ureeni rastvori (sa S=1) su formirani kada je odnos komponenata legure, u atomskim procentima, cijeli broj 1:1, 1:2, 1:3. Ovdje formula hemijskog spoja za sluaj CuAu ili Cu3Au (slika 32.) moe biti odreena za tako ureen vrsti rastvor. Definisanje vrstih rastvora moe biti posmatrano kao intermedijatne faze izmeu vrstih rastvora i hemijskih spojeva. Odreivanje rasporeda atoma obje komponente u reeci i bitnih promjena u osobinama su tipini za hemijske spojeve. Odreivanje razlike u rastvaranju, ipak, od hemijskih spojeva u datoj reeci rastvaraa je zadrano i taj stepen ili niz (S i ) postepeno se poveava kada se rastvor zagrijava na odreenu temperaturu (Kurnakova taka). Oko te temperature, vrsti rastvor se poinje remetiti (S=0).

Hemijski spojevi Postoji velika razlika izmeu hemijskih spojeva i faza povezanih sa njima u metalnim legurama. Tipine osobine hemijskih spojeva, formiranih prema zakonu normalne valencije su takve da su razlike izmeu njih i vrstih rastvora slijedee:

1. Oni imaju kristalnu reetku koja se razlikuje od kristalne reetke komponenti koji formiraju spoj. Atomi imaju pravilan raspored u reeci, tj. atomi svake komponente se lociraju u pravilan niz i odredene take reetke. Mnogo hemijskih spojeva imaju sloenu kristalnu strukturu. 2. Postoji jednostavni viestruki odnos teine elemenata koji su zadrani u spoju. To omoguava da se njihov sastav odredi jednostavnom formulom AnBm, gdje su A i B odgovarajui elementi a n i m su mali cijeli brojevi. 3. Osobine spojeva se znatno razlikuju od osobina njihovih komponenata. 4. Spoj ima konstantnu taku topijenja (i temperaturu disocijacije) 5. Formiranje hemijskog spojaje popraeno stvarnim termalnim efektom.

Za razliku od vrstog rastvora, hemijski spojevi se obino formiraju od komponenata sa velikom razlikom elektronske strukture njihovih atoma i kristalnih reeci. Tipini hemijski spojevi normalne valencije su oni od magnezijuma sa clementima IV, V i VI grupe periodnog sistema: Mg2Sn, Mg2Pb, Mg2Pb2, Mg3Sb2, Mg3Bi2, MgS, MgSe, MgTe, itd. Spojevi razliitih metala nazivaju se intermetalni spojevi. Hemijska veza izmeu atoma u intermetalnim spojevima je najee metalnog tipa. Spojevi metala i nemetala (nitridi, karbidi, hidridi itd.) koji mogu imati metalnu vezu se takoer esto nazivaju metalnim spojevima. Veliki broj hemijskih spojeva, formiranih u metalnim legurama, razlikuju se u odreenim oblicima od tipinih hemijskih spojeva: oni niti se pokoravaju valencijskim pravilima niti imaju konstantan raspored. Najvaniji hemijski spojevi formirani u legurarna su slijedei.

lntersticijske faze. Prelazni metali Fe, Mn, Cr, Mo i drugi formiraju spojeve sa ugljikom, azotom, borom i vodikom, tj. elementima sa malim atomskim radijusom (ovi spojevi su karbidi, nitridi, boridi i hidridi). Oni imaju mnogo zajednikog u strukturi i osobinama i nazivaju se intersticijske faze. Intersticijske faze imaju formule: M4X (Fe4N, Mn4N, itd.), M2X (W2C, Mo2C, Fe2N, itd.) i MX(WC, VC, TiC, NbC, TiN, itd.)Kristalna struktura intersticijske faze zavisi od odnosa atomskog radijusa nemetala (R) i atomskog radijusa metala (RM). Ako je