dr inż. Hanna Smoleńska

MATERIAŁOZNAWSTWO
Wydział Mechaniczny, 
Mechatronika, sem. I

Budowa stopów metali

Po co stopy?

Czy można mieszać dowolne składniki w 
dowolnych proporcjach?

Stop – substancja składająca się z 

metalu

stanowiącego osnowę, do której wprowadzono co 

najmniej 

jeden pierwiastek

(metal lub niemetal), wykazująca cechy 

metaliczne.

Skład chemiczny podawany w stężeniu masowym lub 

atomowym

Stopy mogą być

jedno-

lub 

wielofazowe

Faza

: jednorodna część stopu, oddzielona od reszty 

stopu powierzchnią rozdziału, zwaną granicą faz. Na 
granicy faz skład i właściwości zmieniają się w sposób 
nieciągły (skokowy).

Układ równowagi: zbiór faz w stanie równowagi 

termodynamicznej

Składniki stopów to: 

pierwiastki

, 

roztwory stałe

, 

fazy 

międzymetaliczne i międzywęzłowe



Rodzaje faz: 

stałe, ciekłe, gazowe

 Rodzaje 

faz stałych

: 

pierwiastki

, 

roztwory stałe

, 

fazy 

międzymetaliczne

Roztwory stałe

• Roztwór  stały  - jednorodna  faza  o 

wiązaniu 

metalicznym  i  strukturze  krystalicznej

,  czego 

skutkiem są właściwości metaliczne

• Wyróżnia  się

rozpuszczalnik 

(pierwiastek  –

składnik    o  większym  stężeniu)  i  pierwiastek  -

składnik rozpuszczony

Roztwory stałe

:

Roztwory podstawowe

: rozpuszczalnikiem jest 

pierwiastek

Roztwory wtórne

: rozpuszczalnikiem jest faza 

międzymetaliczna

Roztwory stałe

:

•

międzywęzłowe

(atomy składnika rozpuszczonego 

między węzłami sieci rozpuszczalnika) –

graniczne

-

np. Fe z B, O, C, H, N  

•różnowęzłowe

(atomy rozpuszczalnika i składnika 

rozpuszczonego w węzłach sieci)-

ciągłe lub 

graniczne

– ekspansja lub kontrakcja sieci

•Roztwory międzywęzłowe

są roztworami 

granicznymi

; zawsze 

ma miejsce ekspansja sieci. 
•Tworzą je metale przejściowe (np. Fe, Ti) z pierwiastkami 
niemetalicznymi o bardzo małych promieniach atomowych (H, 
C, N).

Roztwory  

różnowęzłowe

mogą być:

ciągłe

(dowolne proporcje atomów 

rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego) lub 

graniczne

(ograniczona rozpuszczalność

pierwiastka rozpuszczonego); zawsze ma miejsce 
ekspansja lub kontrakcja sieci.

Schemat struktury roztworu stałego 
różnowęzłowego dwuskładnikowego:

A ○ – atomy rozpuszczalnika ,

B  ● – atomy pierwiastka 

rozpuszczonego

Roztwór stały 

ciągły

Schemat deformacji sieci roztworu stałego 

różnowęzłowego

, 

wywołanej przez atom pierwiastka rozpuszczonego:

a) ekspansja, b) kontrakcja

Reguły Hume-Rothery`ego

tworzenia roztworów stałych 

ciągłych

• Oba  składniki  posiadają

jednakowy  typ  struktury 

krystalicznej.

• Nieograniczona 

rozpuszczalność

tylko 

przy 

stosunku  promieni  atomowych  składników  <1,08,

natomiast 

ograniczona 

rozpuszczalność

w 

wypadku stosunku promieni atomowych >1,15.

• Im 

mniejsza 

różnica 

elektrowartościowości

składników,  tym  większa  możliwość tworzenia 
roztworów stałych ciągłych.

• Jednakowa  wartościowość

składników  sprzyja 

nieograniczonej rozpuszczalności składników.

Nadstruktury

•W niektórych roztworach stałych 
różnowęzłowych, przy określonym stężeniu, 
ma miejsce przemiana nieporządek –
porządek w trakcie chłodzenia lub 
nagrzewania (

nadstruktura

).

•Wzory AB, AB

3

, A

3

B

T

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

a)

b)

Umocnienie roztworów stałych

Stopy jednofazowe o strukturze roztworów stałych wykazują
zwykle wyższe właściwości wytrzymałościowe niż czyste 
metale. 

Umocnienie poprzez tworzenie się roztworu stałego 

(obecność pierwiastków rozpuszczonych w sieci 
rozpuszczalnika)

wiąże się z działaniem jednego lub kilku 

mechanizmów dyslokacyjnych:

 blokowaniem dyslokacji w położeniach wyjściowych,

 zmniejszeniem szybkości ruchu dyslokacji w wyniku 
zwiększenia naprężenia tarcia sieci,

 utrudnieniem w pokonywaniu przeszkód przez dyslokacje 
w wyniku ograniczenia poślizgu poprzecznego

.

Mechanizmy umocnienia

pokonywanie przez dyslokacje pól naprężeń wokół
niedopasowanych atomów pierwiastka rozpuszczonego -
(mechanizm Motta – Nabarro) 

ruch postępowy dyslokacji 
zachodzi przez przeskakiwanie 
odcinka linii dyslokacji L, 
kilkakrotnie dłuższego od 
odległości λ między 
rozpuszczonymi atomami do 
następnego położenia 
równowagowego 

sprężyste  blokowanie  ruchu  dyslokacji  (mechanizm 
Cottrella)

• atomy  rozpuszczone  np.  węgla  gromadzą się wokół linii 
dyslokacji  dla  zmniejszenia  występujących  w  tych  miejscach 
naprężeń rozciągających,  tworząc  tzw.  atmosfery  Cottrell'a. 
Wywołanie  ruchu  dyslokacji  z  takiego  obszaru,  gdzie 
utworzyły  się te  atmosfery  wymaga  większego  naprężenia 
stycznego.

•Gdy  przyłożone  naprężenie  pokona  oddziaływanie  między 
dyslokacją a atmosferą, może ona poruszać się przy mniejszym 
naprężeniu,  co  decyduje  o  wystąpieniu  wyraźnej  granicy 
plastyczności.

Atmosfery Cottrella – „kotwiczenie” dyslokacji

Atomy międzywęzłowe w metalach o sieci A2 silnie umacniają

ponieważ:

•Wytwarzają bardzo duże pola naprężeń sprężystych wokół siebie

- dzięki umiejscawianiu się w pobliżu dyslokacji obniżają ich energię

•wytwarzają pola naprężeń o charakterze hydrostatycznym i tnącym

- kotwiczą w ten sposób dyslokacje krawędziowe i śrubowe

•Mogą szybko dyfundować, nawet w temperaturze pokojowej

- dlatego mogą „znajdować” dyslokacje w ciągu kilku godzin lub dni.

Wyraźna granica plastyczności i zjawisko 

starzenia odkształceniowego

chemiczne blokowanie rozszczepionych dyslokacji

*

zgodnie z 

mechanizmem Suzuki :

• w wyniku dyfuzji powstają w stopie obszary o lokalnie 
zwiększonym stężeniu pierwiastka rozpuszczonego i obniżonej 
przez to energii błędu ułożenia, które przyciągają się z 
rozszczepionymi dyslokacjami

• dyslokacje cząstkowe w wyniku oddziaływania pierwiastków 
rozpuszczonych są bardziej rozszczepione, co doprowadza do 
dalszego poszerzania pasma błędu ułożenia między dyslokacjami 
cząstkowymi i skutecznie zapobiega poślizgowi poprzecznemu 
dyslokacji śrubowych;

*

Naprężenie poślizgu dyslokacji częściowych jest mniejsze niż dyslokacji całkowitych. Dlatego często 

dyslokacje całkowite ulegają rozszczepieniu na częściowe. Rozszczepieniu dyslokacji towarzyszy 
powstanie błędu ułożenia.

Umocnienie występuje wtedy gdy obce atomy wykazują inną

rozpuszczalność wokół błędu ułożenia niż w obrębie matrycy

Gdy obce atomy wykazują większą rozpuszczalność wokół BU:

A

: (Stan nierównowagowy)

Dyslokacje i BU.

Obce atomy o takiej samej koncentracji c

o

w matrycy i wokół BU.

B

: (Stan równowagowy)

Obce atomy o koncentracji c

o

w matrycy i c

1

( > c

o

) wokół BU 

(obce atomy dyfundują do BU).

Eenergia BU (na jednostkę powierzchni) jest mniejsza, co 
powoduje poszerzenie „wstęgi” BU, a to z kolei powoduje:

•Zmniejszenie napięcia liniowego dyslokacji 

•Zmniejszenie całkowitej energii dyslokacji 

•Wokół BU powstaje gradient koncentracji obcych atomów, co jest

•źródłem siły chemicznej blokującej ruch dyslokacji

geometryczne blokowanie ruchu dyslokacji  - mechanizm 
Fishera;

•atomy pierwiastka rozpuszczonego zamiast pozostawać w 
bezładnym ułożeniu mogą tworzyć lokalne zgrupowania 
tzw. klastry lub mogą układać się regularnie w sieci 
rozpuszczalnika tworząc uporządkowanie bliskiego 
zasięgu, co utrudnia ruch dyslokacji, gdyż ruch ten 
wymaga zniszczenia klastrów lub uporządkowania 
bliskiego zasięgu. 

Zawarte w klastrach atomy 
dodatków stopowych hamują ruch 
dyslokacji w płaszczyźnie poślizgu 
i wymuszają ich uginanie. 

Fazy międzymetaliczne

Fazy  międzymetaliczne – to  połączenia  metali  lub 
metali 

z 

niemetalami, 

wykazujące 

właściwości 

metaliczne  ze  względu  na 

częściowy  lub  całkowity 

udział

wiązania 

metalicznego

między 

atomami 

wchodzącymi w skład fazy.

Fazy międzymetaliczne

Charakterystyczne cechy:

Struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze 
składników

Uporządkowane rozmieszczenie atomów w sieci 
krystalicznej

Przewaga wiązania metalicznego między atomami

Wzajemne stosunki ilościowe atomów składników nie 
odpowiadają ich wartościowościom chemicznym, jakie 
składniki wykazują w związkach chemicznych, chociaż
przypisuje się im określone wzory podobnie do związków 
chemicznych –

odchylenia od stechiometrii

!

Kryteria

klasyfikacji faz międzymetalicznych:

Stężenie elektronowe -

stosunek liczby elektronów 

wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnej-
możliwe stężenia 21/14(3/2), 21/13, 21/12(7/4)

Wielkość atomów składników

Rodzaje

faz międzymetalicznych:

elektronowe 

Lavesa

o strukturze siatek kagome

międzywęzłowe

Roztwory stałe wtórne (różnowęzłowe, międzywęzłowe, 

pustowęzłowe)

:

Są to roztwory, w których 

rozpuszczalnikiem jest faza 

międzymetaliczna

, a składnikiem 

rozpuszczonym

–

jeden lub 

wszystkie pierwiastki tworzące fazę. 

Fazy elektronowe

•Stężenie elektronowe:  stosunek liczby elektronów 
wartościowości do liczby atomów w komórce 
elementarnej

•Możliwe wartości stężenia elektronowego: 21/14(3/2), 
21/13, 21/12(7/4))

•Roztwory stałe wtórne o wyraźnych właściwościach 
metalicznych

Klasy metali tworzących fazy 

elektronowe

Przykłady faz elektronowych

•Fazy

Lavesa

Tworzą się przy stosunku promieni 
atomowych 1,05-1,68

Wzór AB

2

M.in. w stopach Fe, Mn, Cr i Mo z innymi 
metalami np. MgCu

2

MgZn

2

MgNi

2

MgCu

2

•Fazy o strukturach siatek kagome

 Fazy σ, P, R, µ, δ

•Charakter roztworów stałych wtórnych

 Powstają po długotrwałym wygrzewaniu 
roztworów stałych podstawowych

Płaskie siatki warstw atomowych faz parkietowych pochodne od 
siatek kagome:

a) siatka kagome; b) struktura fazy σ; c) struktura fazy P; d) struktura 

fazy µ

Przykłady faz σ, P, R, µ, δ

•

Fazy międzymetaliczne 

międzywęzłowe

Fazy międzymetaliczne, których 

węzły

są

obsadzone atomami jednego z metali 
przejściowych 

M (Fe, Cr, Mo, Mn, Ti),

a pozycje 

międzywęzłowe

są zajęte przez atomy 

pierwiastków 

niemetalicznych o małym 

promieniu atomu

X (H, B, C, N) - węgliki, azotki, 

wodorki, borki, węglikoazotki

 O ich powstaniu decyduje czynnik wielkości 
atomów.

Klasyfikacja w zależności od 

stosunku promieni

metalu 

r

M

i niemetalu

r

X

 Gdy 

r

X

/r

M

≤

0,59

, tworzą się

fazy o strukturach  prostych

, o 

wzorach M

4

X, 

M

2

X, MX

, MX

2

(układ regularny lub 

heksagonalny o prostych komórkach elementarnych)

 Gdy 

r

X

/r

M 

> 0,59

, tworzą się fazy o 

strukturach złożonych

, o 

wzorach M

3

X, M

23

X

6

, M

7

X

3

, M

6

C (układ rombowy, regularny, 

heksagonalny o złożonych komórkach elementarnych)



Azotki i węgliki

typu 

MN i MC

oraz 

M

2

N i M

2

C

są

izomorficzne

(ten sam typ sieci krystalicznej) i cechują się

wzajemną rozpuszczalnością. Możliwe jest więc tworzenie w 
stopach 

węglikoazotków

typu M(C,N) i M

2

(C,N)

Struktury proste

Węgliki

Struktura sieciowa cementytu Fe

3

C

Struktury złożone

Struktura sieciowa węglika Cr

23

C

6

Węgliki metali przejściowych

Azotki i węglikoazotki

Azotki metali przejściowych

Umocnienie stopów cząstkami 

faz wtórnych

• Spowodowane przez różnice między cząstkami a osnową: 

struktury sieciowej, składu chemicznego, własności 
sprężystych i wytrzymałościowych

• Utwardzanie wydzieleniowe: cząstki faz wydzielają się w 

osnowie przy tworzeniu koherentnej granicy 
międzyfazowej, sprężystego odkształcenia sieci i pola 
naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe 
zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy plastyczności

• Utwardzanie dyspersyjne: cząstki faz są wprowadzane w 

procesie wytwarzania; występuje granica niekoherentna

Oddziaływania między cząstkami 

faz wtórnych a dyslokacjami

• Przecinanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje 

(niewielka twardość cząstek i uprzywilejowana orientacja 
krystalograficzna)

• Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku 

tworzenia zamkniętych pętli dyslokacyjnych

• Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku 

zmiany płaszczyzny poślizgu poprzez wspinanie lub 
poślizg poprzeczny