Wiele przeprowadzonych doświadczeń pozwoliło dojść do wniosku, że liczne właściwości metalicznych materiałów, szczególnie magnetyczne, mechaniczne, a także podatność na ustalone zabiegi technologiczne w dużym stopniu zależą od ich struktury. Także przebieg niektórych zmian fazowych wykazuje różnice uzależnione od wyjściowej struktury fazy macierzystej.

Możemy wyróżnić trzy poziomy objaśnienia struktury:

1. Chronologicznie najwcześniejszy - w najmniejszej mikroskopowej skali. W opisie struktury uwzględnia się orientację i wielkość ziaren oraz kształt, rodzaj faz (w materiałach wielofazowych), wzajemne położenie ich ziaren, udział objętościowy ziaren, a także rozmieszczenie zanieczyszczeń i ewentualne wady materiałów, takie jak: pęknięcia, pory, wtrącenia niemetaliczne oraz ich rozmieszczenie. Bardzo ważna jest także ocena jednolitości struktury: jednorodnej wielkości ziarna, ewentualnej segregacji faz (w strukturach wielofazowych), w końcu braku lub obecności usterek materiałowych. Przytoczone cechy wchodzą w skład tzw. mikrostruktury materiału. Mikrostrukturę możemy obserwować na wyznaczonych powierzchniach albo przekrojach próbek, używając mikroskopu świetlnego - mikrostruktura lub okiem nieuzbrojonym - makrostruktura. W specyficznych przypadkach struktur wysoce drobnodyspersyjnych można skorzystać z elektronowego mikroskopu prześwietleniowego i techniki replik. Uprzywilejowaną statystycznie orientację ziaren można określić poprzez metodę dyfrakcji rentgenowskiej.

Szczegółowy opis mikrostruktury może pomóc w identyfikacji materiału, natomiast zawsze pozwala określić stan technologiczny materiału. Biorąc pod uwagę liczne stopy, mikrostruktura pozwala określić poprawność wykonania (obróbki cieplnej).

2. W większej skali, mikroskopowej, rozpatruje się w zasięgu kryształu albo ziarna metalicznego wielkość a także orientację bloków, granice i podgranice, następnie wady struktury, takie jak: wakanse oraz ich skupienia, dyslokacje, błędy ułożenia, atmosfery obcych atomów, wreszcie granice elektrycznych lub magnetycznych domen. Całość wymienionych cech jest częścią tzw. podstruktury albo struktury rzeczywistego kryształu.

Wykorzystując elektronowy mikroskop prześwietleniowy i technikę folii umożliwia się bezpośrednią obserwację granic szeroko- i wąskokątowych, błędów ułożenia i dyslokacji, a także skupisk wakansów. Orientacja bloków jest wyznaczana metodą dyfrakcji rentgenowskiej.

Trudno jest określić ściśle podstrukturę. Najczęściej używane wskaźniki ilościowe pokazują gęstość dyslokacji i stężenie wakansów, a także orientację i wielkość bloków. W przypadku pełnego opisu podstruktury liczba informacji jest jednak zbyt mała.

3. W końcu w największej skali, podmikroskopowej, rozpatrywany jest przestrzenny rozkład atomów oraz ich uporządkowanie dalekiego i bliskiego zasięgu, orientację i symetrię sieci przestrzennej, rodzaj zasadniczej komórki, jej typ, i wreszcie wymiary wreszcie. Całość wymienionych cech materii jest częścią tzw. struktury krystalicznej.

Konwencjonalne metody badawcze nie umożliwiają w zasadzie bezpośredniej obserwacji pojedynczych atomów (a najwyżej pewnych ich zgrupowań, np. w stopach aluminiowo miedziowych stref GP I). Systemy dyfrakcji elektronowej i rentgenowskiej pozwalają jednakże poprzez interpretację obrazów dyfrakcji określać: symetrię i typ sieci przestrzennej i jej orientację a także mierzyć z dużą precyzją stałe sieciowe komórki podstawowej.

Wspomniane trzy poziomy typowego opisu struktury nie wyeliminują jeden drugiego, a przeciwnie, są komplementarne względem siebie. Bowiem pełne opisanie materiału powinno zawierać diagnozę jego krystalicznej struktury, najważniejsze cechy mikrostruktury i podstruktury, a oprócz tego skład chemiczny materiału i faz, które w nim występują.

Warto tutaj zaakcentować, że struktura krystaliczna to charakterystyczna cecha materiału i jej zmiana możliwa jest wyłącznie w przypadku materiałów, które podlegają przemianom alotropowym. Zaś mikrostruktura i podstruktura kształtowane są przez technologiczne procesy przetwarzania i wytwarzania materiału.

Mikrostruktura materiału krystalicznego określa liczbę, rodzaj, budowę, kształt, typ, rozmieszczenie faz i udział objętościowy a także gęstość, rodzaj i rozmieszczenie wad krystalicznej struktury, które są w większości przypadków nierównowagowe termodynamicznie.

Wpływ komórek:

Większa część metali krystalizuje w krystalograficznych układach, które charakteryzują się wysoką symetrią oraz znaczną gęstością zapełnienia przestrzennej sieci atomami, szczególnie zaś w przypadku sieci:

A1, RSC - ścienne, płasko centrowanej regularnego układu

A2, RPC - przestrzennie centrowanej regularnego układu

A3, HGU - heksagonalnej z gęstym ułożeniem atomów, niekiedy zwaną heksagonalną zwartą - HZ

Własności metali, a szczególnie podatność na odkształcenia plastyczne, zależą w dużej mierze od rodzaju sieci przestrzennej. Jeżeli komórka posiada zwiększoną liczbę koordynacji to takie cechy jak plastyczność metalu, opierającego się na niej jest większa. Wynika z tego, iż metale mające strukturę A1, lk.=12 najlepiej poddają się plastycznej obróbce, następnie jest HZ, lk. = 6+6 a na końcu A2, lk. = 8 .

Wykorzystywane stopy i metale mogą przyjmować różnorodną postać: roztworów pierwotnych, które oparte są na komórkach czystych metali roztworów stałych i ciągłych, roztworów wtórnych, które są oparte na komórkach fazy międzymetalicznej, perytektycznych, mieszanin eutektycznych, itd. Wszystkie te formy charakteryzują się odmienną strukturą, a także co się z tym wiąże innymi właściwościami. Łatwa do zauważenia jest tu ilość faz. Ma ona jak się okazuje dość dużą wartość.

Wpływ liczby etapów:

Struktury jednofazowe posiadają metale techniczne, a także fazy międzymetaliczne tudzież stopy zarówno dwu- jak i wieloskładnikowe o strukturze roztworów stałych (pomijają się przy tym we wszystkich przypadkach wpływ zanieczyszczeń). Najważniejsze cechy jednofazowych struktur w stanie równowagi to:

a) struktura krystaliczna, a także stała sieciowa,

b) wielkość ziarna,

c) skład chemiczny materiału - fazy.

Na strukturę jednofazową znajdującą się w równowadze składają się ziarna równoosiowe, takiej samej wielkości. Ziarna te na obrazie mikroskopowym różnią się miedzy sobą barwą. Ich przypadkowe ułożenie w masie stopu decyduje o tym, że płaszczyzna zgładu przecina pojedyncze ziarna w rozmaitych płaszczyznach krystalograficznych. Natomiast anizotropia pojedynczych ziaren prowadzić będzie do odmiennej intensywności funkcjonowania odczynnika na różnorodne płaszczyzny krystalograficzne - do ich różnego zabarwienia.

Wpływ jaki wywiera struktura określonego materiału na jego własności sprowadza się do reakcji wielkości ziaren oraz ich orientacji. Wraz ze zmniejszaniem się średniej wielkości ziarna, większa jest granica ich plastyczności, twardość, a mniejsza jest plastyczność materiału. Natomiast w przypadku orientacji, uporządkowana statystycznie orientacja krystalograficzna ziaren, czyli tekstura, generalnie jest szkodliwa. Jest ona bowiem przyczyną anizotropii właściwości, szczególnie mechanicznych, które są niepożądane przez konstruktorów.

Ważny wpływ na własności ma niejednorodność materiałów. W jednofazowej strukturze polega ona często na zróżnicowanej wielkości ziaren wywołanej np. nierównomiernymi odkształceniami plastycznymi na przekroju lub rekrystalizacją wtórną. Różna wielkość ziaren pogarsza własności mechaniczne i może też być przyczyną wyraźnej kruchości materiału. W roztworze stałym niejednorodność struktury polegać może na dendrytycznej segregacji, czyli zróżnicowaniu chemicznego składu w obrębie ziaren a także pomiędzy nimi, mającej wpływ w pewien sposób na gorsze właściwości mechaniczne. Jakość materiału może mieć również wpływ na niejednorodność struktury, czyli obecności makro- i mikropęknięć, porów i wtrąceń niemetalicznych. Defekty takie dość wyraźnie pogarszają własności wytrzymałościowe. Wywołują one na powierzchni albo wewnątrz przekroju, działając jako koncentratory, spiętrzenia naprężeń, które silnie zmniejszają wytrzymałość statyczną, w szczególności zmęczeniową.

W strukturach dwufazowych występują stopy metali zbudowane z roztworów stałych lub mieszanin składników. Najważniejsze cechy struktur dwufazowych, pozostających w stanie równowagi to:

a) struktura krystaliczna oraz skład chemiczny obydwu faz,

b) udział objętościowy obydwu faz,

c) kształt oraz sposób rozmieszczenia ziaren obydwu faz.

W struktura dwufazowej w stanie równowagi wyróżniamy ziarna dwóch rodzajów o zróżnicowanych kształtach. Ziarna w każdej fazie w różny sposób reagują na odczynnik używany do strawienia zgładu. Tak więc na obrazie mikroskopowym są odmiennie zabarwione.

Działanie struktury na właściwości określonego materiału jest złożone. Każda faza składowa ma odrębne właściwości. Wynika z tego, że właściwości materiału w pewnym sensie są wypadkową obydwu faz. Ważne znaczenie ma udział pojedynczych faz w strukturze, a także ich geometryczny kształt, natomiast wielkość ziaren ma niewielkie znaczenie. Zauważalny wpływ wywiera także niejednorodność struktury, która objawia się głównie segregacją strefową, czyli nierównomiernym rozmieszczeniem ziaren poszczególnych faz. Natomiast różnica w wielkości ziaren pojedynczej fazy w dwufazowych stopach występuje rzadziej.

Zestawienie struktur dwu- i jednofazowych wypada zdecydowanie z korzyścią dla struktur jednofazowych jeśli chodzi o odporność na elektrochemiczną korozję. W przypadku struktur dwufazowych sąsiedztwo ziaren różnych faz jest potencjalnym mikroogniwem, co jest najważniejszym powodem niższej odporności korozyjnej. Biorąc pod uwagę właściwości mechaniczne trudno jest stwierdzić zdecydowaną wyższość, ponieważ generalnie struktury jednofazowe charakteryzują się zwiększoną plastycznością, natomiast struktury dwufazowe są bardziej wytrzymałe.

Wpływ kształtu ziaren:

W przypadku jednofazowych struktur w stanie równowagi ziarno ma kształt poliedryczny, a struktury dwufazowe, o czym wcześniej wspomniano, zaliczyć można następujących typów: płytkowego, ziarnistego, kulkowego, dyspersyjnego i iglastego. Struktury rzeczywiste nie mają często wyraźnych cech konkretnego typu. Utrzymuje się, że deformacja jest spowodowana warunkami krzepnięcia lub częściej - różnymi zanieczyszczeniami stopu.

W skład struktury ziarnistej wchodzą równoosiowe ziarna obydwu faz jednakowej wielkości (w przybliżeniu), które rozmieszczone są w sposób nie uporządkowany statystycznie. Przykład struktury ziarnistej może stanowić dwufazowy mosiądz o zawartości od 38 do 48% cynku. Zakładając, że rozkład ziaren będzie równomierny w obydwu fazach, właściwości stopu zależeć będą od wielkości ziaren. Gruboziarnistość często jest powodem kruchości i nieco mniejszej wytrzymałości.

Na strukturę płytkową składają się z przypadkowo zorientowane pęki (kolonie) ułożonych na przemian płytek obydwu faz. Taką strukturą odznaczają się stopy składające się z mieszanin eutektoidalnych lub eutektycznych, pod warunkiem odpowiedniej czystości. Natomiast w warunkach izotermicznych podczas tworzenia się struktury grubość każdego rodzaju płytek jest praktycznie jednakowa. Typowym przykład struktury płytkowej stanowi mieszanina eutektoidalna cementytu i ferrytu, będąca składnikiem stopów żelaza i zwana perlitem. Często obie fazy w przypadku struktur płytkowych różnią się wyraźnie twardością i wytrzymałością. W tym przypadku właściwości stopu będą zależeć od m.in. dyspersji płytek. Wraz ze wzrostem dyspersji, czyli zmniejszania grubości płytek, zwiększą się wytrzymałość i twardość stopu, a także nieco zmniejsza się kruchość.

Na strukturę kulkową składają się w przybliżeniu jednakowych rozmiarów kuliste wydzielenia jednej fazy, umieszczonej w ziarnistej osnowie innej w sposób równomierny. Przykład takiej struktury stanowi cementyt kulkowy o stalach wysokowęglowych i średniowęglowych. Strukturę kulkową nierzadko otrzymuje się poprzez długotrwałe ogrzewanie stopu mającego strukturę płytkową, jak to bywa w przypadku np. perlitu. Wówczas następuje koagulacja płytek określonej fazy - cementytu i koalescencja płytek drugiej - ferrytu. W tym też przypadku własności stopu wykazują podobną, jak było to w przypadku struktury płytkowej, powiązanie z dyspersją. Oprócz tego segregacja kulistych wydzieleń określonej fazy, która objawia się nierównomiernie ułożonymi skupieniami, a szczególnie pasmami wydzieleń, powoduje pogorszenie właściwości, powodujące kruchość, a wręcz wyraźniejszą plastyczność i anizotropię wytrzymałości. Mając jednakowe składy, stop ze strukturą płytkową odznacza się zwiększoną twardością i wytrzymałością, natomiast stop o strukturze kulkowej charakteryzuje się wyraźnie zwiększoną plastycznością.

W strukturze iglastej wyróżnia się mniej lub bardziej wyraźnych igieł określonej fazy, które rozmieszczone są w ziarnistej osnowie innej fazy. Przykładem wspomnianej struktury może być zaeutektyczny stop aluminiowo-siarkowy. Struktura ta, która jest zwykle krucha i twarda, jest przeważnie niepożądana. Można niekiedy uniknąć struktury iglastej, jeżeli zastosuje się zabieg odlewniczej modyfikacji. Zwiększenie liczby zarodków krystalizacji może spowodować takie rozdrobnienie wspomnianej fazy, że nabiorą one kształtu drobnych oraz równo osiowych ziaren.

Wreszcie struktura dyspersyjna (rysunek 14) składa się z praktycznie kulistych i bardzo drobnych wydzieleń określonej fazy (często jest to faza międzymetaliczna), rozłożonych równomiernie (ciągłe wydzielanie) w osnowie ziaren innej fazy roztworu stałego. Struktura taka powstaje wskutek wydzielania się z roztworu stałego fazy przesycającej, np. Al-Mg, Al-Cu itp. Struktura dyspersyjna działa umacniająco przez blokową niedyslokację, powiększając wyraźnie twardość i wytrzymałość, płacąc za to zmniejszeniem ciągliwości stopu. Toteż struktura dyspersyjna często wywołana jest przez zabieg polegający na cieplnej obróbce utwardzania dyspersyjnego. Posortowanie wydzieleń, czyli skupienie ich np. na granicach ziaren osnowy - wydzielanie nieciągłe, może być przyczyną dość dużej kruchości stopu.

Rola stanu technologicznego:

Technologiczne procesy w charakterystyczny sposób mogą modyfikować strukturę, w rezultacie wpływając na własności materiału.

Konstrukcja odlewu charakteryzuje się takimi cechami jak: gruboziarnistość i często objawy przegrzania, a oprócz tego dużą liczbą wad materiałowych, takich jak: rzadzizny materiałowe, pęcherze gazowe, pory. W specyficznych przypadkach transkrystalizacji, czyli bardzo rozwiniętej strefy ziaren słupkowych, stop wykazywać może anizotropię właściwości.

Zbyt wysoka temperatura może także objawiać się selektywnym wzrostem ziaren określonej fazy, co pojawia się w stopach łożyskowych (babbitach cynowych - SnSbCu).

Struktura odlewów, nawet bez silnych objawów jej przegrzania, ma słabą wytrzymałość. Wpływają na to wady materiałowe, które zmniejszają czynny przekrój oraz koncentrują naprężenia. W roztworach stałych dodatkową tego przyczyną jest dendrytyczna segregacja stopu.

Wady struktur odlewu można w dużym stopniu zmniejszyć, albo nawet całkowicie usunąć poprzez zabiegi obróbki cieplnej. Wyżarzanie ujednorodniające znacznie zmniejsza segregację dendrytyczną. Podczas ujednorodniania zmniejszana jest twardość, a jej ustabilizowanie daje znak do zakończenia procesu.

Wady materiałowe, takie jak: pory, rzadzizny i inne, nie mogą być usunięta poprzez obróbkę cieplną, a jedynie poprzez obróbkę plastyczną na gorąco. Podobnie jest w przypadku gruboziarnistości nieżelaznych stopów. Dostatecznie silny gniot może spowodować rozdrobnienie struktury. Plastyczna i cieplna obróbka zmieniając strukturę odlewu zwiększa jej wytrzymałość zmęczeniową i statyczną, natomiast niewiele zmniejsza twardość, a także usuwa kruchość.

Struktury materiałów odkształconych plastycznie na zimno zależą od ich stopnia gniotu. Nieduże i średnie gnioty spowodują wydłużenie się ziaren. Wtrącenia niemetaliczne i plastyczne, takie jak: siarczki żelaza znajdujące się w stali, są odkształcane i rozciągane w kierunku maksymalnego wydłużenia, a kruche i twarde, takie jak: węgliki lub tlenki w stali, są rozkruszane i również rozciągane w tym samą stronę. Wymienione zmiany prowadzą do stworzenia struktury włóknistej. Znaczny gniot doprowadza do pęknięcia wydłużonych ziaren i następuje ich fragmentacja. Stworzone w ten sposób okruchy ziaren ulegają przemieszczeniu i obrotom, przyjmując przy tym wyznaczoną orientację krystalograficzną, która zbliżona jest do kierunku maksymalnego odkształcenia. Tworzona jest tym sposobem tekstura odkształcenia, co objawia się poprzez anizotropię własności.

Jak już wcześniej wspomniano, plastyczna obróbka na zimno, jest powodem umocnienia materiału, proporcjonalnie do gniotu. Wystarczająco silne odkształcenie ponadto jest powodem anizotropii właściwości.

Plastyczna obróbka na gorąco eliminuje nieciągłości materiału, charakterystyczne dla odlewu i zmniejsza wielkość ziaren. Poprawiają się więc mechaniczne własności.

Metal polikrystaliczny, zwłaszcza drobnoziarnisty, nie wykazuje anizotropii, gdyż posiada przypadkową orientację krystalograficzną pojedynczych ziaren. Większe ziarna lepiej przejawiają swoje cechy indywidualne, dlatego też metale gruboziarniste odznaczać się mogą śladową anizotropią, co objawiają się określonym rozrzutem wyników. Okoliczności ulegną zmianie, jeśli metal polikrystaliczny jest teksturowany. Uprzywilejowana orientacja większej liczby ziaren jest powodem anizotropii, zarówno materiałów drobno- jak i gruboziarnistych.

Tekstura w odkształceniu plastycznym jest szczególnie wyczuwalna w blachach i drutach. Tekstury materiałów konstrukcyjnych ogólnie są niepożądane. Dzieje się tak dlatego, iż rekrystalizacja nie usuwa całkiem tekstury, która pozostaje jako tekstura rekrystalizacji. Natomiast dla taśm i blach dozwoloną anizotropia została ustalona umownie.

Najbardziej pożądaną strukturą jest struktura ujednorodniona, gdyż zapewnia ona idealne właściwości materiału.

W przypadku struktury ujednorodnionej najlepszą geometrycznie formą stanowią ziarna poliedryczne. Nieuporządkowana statystycznie orientacja ziaren oraz dominujący poliedryczny kształt zapewniać mogą izotropię właściwości.

Wśród struktur ujednorodnionych najbardziej do najbardziej pożądanych należą drobnoziarniste struktury, z powodu dużej twardości i wytrzymałości, przy jednoczesnym braku kruchości a także niedużym rozrzucie wyników prób własności mechanicznych. Gruboziarniste struktury na ogół są niepożądane, gdyż często są zbyt kruche, a prócz tego mają mniejszą twardość i wytrzymałość, a także są powodem rozrzutu wyników mechanicznych prób.

Wpływ struktur na fizyczne właściwości:

W stopach które znajdują się w równowadze fizyczne właściwości, takie jak: przewodność elektryczna, mogą zależeć głównie od rodzaju istniejących faz, składów chemicznych tych stopów, a także udziałów w stopach. Własności mechaniczne, np.: granica plastyczności, wytrzymałość, wydłużenie, moduł sprężystości, twardość i przewężenie, poza wspomnianymi czynnikami zależą także od ziarnistości tych faz, kształtu i rozmieszczenia ziaren. Oprócz tego własności mechaniczne zależą od wad struktury krystalicznej: ruchliwości dyslokacji stężenia wakansów i gęstości. Wreszcie pewne własności fizyczne, takie jak: siła termoelektryczna, przewodność elektryczna, przenikalność magnetyczna silnie zmniejszają odkształcenia materiałów.

Metale techniczne w przypadku mikrostruktury jednofazowej, dzięki relatywnie dużej różnicy naprężeń pomiędzy wytrzymałością a granicą plastyczności ogólnie charakteryzują się znaczną ciągliwością, a małą wytrzymałością i twardością. Zwykle mają dobrą przewodność cieplną i elektryczną oraz dużą wytrzymałość na korozję.

W stopach o jednofazowej mikrostrukturze stałych roztworów zachowywane są typy sieci przestrzennej metalu, czyli rozpuszczalnika. Porównując sieć metalu rozpuszczalnika, wypełnienie sieci przez dwa gatunki atomów, które różnią się promieniami, spowoduje w sieci tego roztworu, zakłócenia w rozkładach sił międzyatomowych oraz deformację sieci, co wywołuje naprężenia własne. Toteż roztwory stałe, wobec czystych metali, charakteryzują się większą wytrzymałością i twardością, przy z reguły dobrej ciągliwości. Zaś przewodność cieplna i elektryczna, a także odporność na korozję stałych roztworów jest zwykle gorsza niż metali.

Składy ziaren roztworu stałego ulegają analogicznej zmianie jak składy stopów. W takim razie zależność określonej własności od składu stopu jest krzywą ciągłą z szerokim ekstremum, np.: min dla przewodności max dla twardości cieplnej. Charakterystyczną cechą roztworów stałych jest zwłaszcza wyraźna zmiana własności w zakresie niewielkich stężeń. Przykładowo dodatek do miedzi od 0,9 do 1.0% kadmu zwiększa odporność na rozciąganie stałego roztworu od 195 do 490 MPa, czyli o 150%.

Biorąc pod uwagę stopy o strukturze dwufazowej mieszaniny składników albo roztworów stałych nasyconych, skład każdej z faz jest stały, ale proporcjonalnej zmianie do składu stopu podlega jedynie współudział tych faz. Zatem właściwości mieszaniny składników i roztworów stałych liniowo zmieniają się wraz ze zmianą ich składu. Mechaniczne właściwości uzależnione są dodatkowo od wielkości ziaren oraz ich wzajemnego ułożenia w zwiększonym stopniu niż fizyczne właściwości, mogą wykazywać niektóre odchylenia od przebiegu liniowego. Przykładowo: wytrzymałość lub twardość, wyjątkowo silnie zależne od dyspersji, w wielu mieszaninach wykazują maksimum w przypadku składu eutektycznego lub eutektoidalnego, dzięki temu, że struktury te są drobnoziarniste.

Fazy międzymetaliczne posiadają zwykle bardziej złożone struktury, o małej symetrii, w porównaniu do metali, a także ich roztworów. W wyniku tego są twardsze, bardziej kruche i mniej plastyczne. Także ich cechy chemiczne i fizyczne są inne niż cechy ich składników. Toteż w układach zawierających fazy międzymetaliczne, ich składom stechiometrycznym na ogół odpowiadają ekstrema własności (np. minimum przewodności elektrycznej i maksimum twardości). Ekstrema te są wyraźniejsze wraz ze zwężaniem się zakresu stężeń wytrzymałości fazy międzymetalicznej.