Transcript Atomreaktorok anyagai - DE Műszaki Kar

ATOMREAKTOROK ANYAGAI
2. előadás
Dr. Trampus Péter
egyetemi tanár
06 20 9855970
[email protected]
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Anyagok viselkedése függ:
• Milyen atomok vannak bennük?
• Milyen kötőerők ébrednek az atomok között?
• Hogyan, milyen formában helyezkednek el
egymáshoz képest az atomok?
• Milyenek a környezeti feltételek?
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomok kölcsönhatása
• Elsődleges (erős) kötések
– ionos kötés
– kovalens kötés
– fémes kötés
• Másodlagos (gyenge) kötések
– Van der Waals kötés
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Ionos kötés
r
11 elektron
A külső héjon
+5,14 eV
17 elektron
A külső héjon
-4,02 eV
+11
+17
F vonzerő
+
Elektron
leadás miatt
+, KATION
Na ion,
-
Cl ion,
Elektron
felvétel miatt
-, ANION
1eV=1,6x10-19 J
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Ionos kötések jellegzetességei (3)
Cl
Cl
Atomsugarak:
Cl =0,181 nm
Cs =0,169 nm
Na = 0,095 nm
Cs
Na
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Ionos kötések jellegzetességei (4)
Az ionos kötésű
vegyület képlete
Kötési energia
E (kJ/mol)
Olvadáspont
T (oC)
CsCl
649
646
KCl
686
776
NaCl
766
801
BaO
3127
1923
CaO
3583
2580
MgO
3932
2800
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kovalens kötések jellegzetességei (1)
• a legerősebb elsődleges kötés (gyémánt, kvarc,
germánium), nagy rugalmassági modulus
• olyan elemek között jön létre, amelyek elektronegativitása között csekély a különbség
• a kötésben két, vagy több atom vesz részt,
olymódon, hogy a legkülső elektronhéjaikon lévő
atomokat „megosztják”
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kovalens kötések jellegzetességei (2)
Cl2
F2
H2
H :H
H -H
_ _
|F:F|
_ _
.. ..
:F:F:
.. ..
F-F
_ _
|Cl:Cl|
_ _
Cl-Cl
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A fémes kötés jellemzői (1)
• elsődleges, erős kötés: fémek, fémtermészetű elemek
jellegzetes kötése
• a fém-ionok kitüntetett pontokban (az ún. rácspontokban
helyhez kötöttek)
• a vegyérték-elektronok, mint szabad elektronok
elektrongáz, elektronfelhő formájában viszonylag szabadon
mozognak
 ezzel magyarázható a jó hő- és villamos vezetőképesség
 a fémek nagy szilárdsága és egyidejűleg viszonylag jó
alakíthatósága
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A fémes kötés jellemzői (2)
Pozitív
ionok
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Vegyérték-elektronok
elektronfelhő
formájában
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A fémes kötés jellemzői (3)
Energia
+
Atomok közötti távolság - a
-
Emin
R
R
a0
Az elem
vegyjele
Kötési energia
E(kJ/mol)
Olvadáspont
T (oC)
K
90
64
Zn
131
419
Ca
177
851
Ge
377
960
Sc
342
1397
Ti
473
1812
V
515
1730
Cr
398
1903
Fe
418
1536
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Az anyagok kristályos szerkezete
• a kristályos szilárd anyagok jellemzői
• hosszú távú atomos rendezettség
• szabályos térbeli ismétlődés
• kristálytani alapfogalmak
• a térrács fogalma
• a térrács kitüntetett pontjai, a
rácspontok
• az elemi cella fogalma
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kristályrendszerek jellemzése (1)
• Kristályrendszerek leírásának szükséges
és elégséges feltételei:
• Három irány (x, y, z) beleértve
az irányok által bezárt
szögeket is
• A három irányban mért, az
atomok periodicitását jellemző távolságok (a, b, c), a
rácsparaméterek
z
c


b
y

a
x
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kristályrendszerek jellemzése (2)
z
z
C l-
N a+
c
b
a
y
y
x
x
Hosszú távú rendezettség
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kristályrendszerek jellemzése (3)
Bravais rácsok
K ris tá ly re n d s z e r
m egnevezése
R á c s p a ra m é te re k
T á v o ls á g o k
(a , b , c )
Szögek
(  )
Köbös
a = b = c
      

T e tra g o n á lis
a = b  c
      

H e x a g o n á lis
a = b  c
         
O rto ro m b o s
a  b  c
      

R o m b o é d e re s
a = b = c
      

M o n o k lin
a  b  c
      
T rik lin
a  b  c
      


Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév


Köbös rácsok
Primitív
Térben
középpontos
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Felületen
középpontos
Tetragonális rácsok
Primitív
Térben
középpontos
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Felületen
középpontos
Hexagonális rácsok
Primitív
Tömött
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Ortorombos rácsok
Primitív
Térben
középpontos
Felületen
középpontos
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Alaplapon
középpontos
Monoklin rácsok
Primitív
Alaplapon
középpontos
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Egyéb primitív rácsok
Romboéderes
Triklin
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kristálytani fogalmak, jellemzők
 Rácselemhez tartozó atomok száma: N
 Atomsugár és a rácsparaméter kapcsolata: a = a(r)
 Térkitöltési tényező: T
 Koordinációs szám: K
 Irányok, síkok egyértelmű definiálása
 Vonalmenti atomsűrűség
 Térbeli atomsűrűség
 Síkok távolsága
 Síkok, irányok által bezárt szög
 Beilleszthető gömb helye és mérete
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Köbös rácsok tulajdonságai
K ris tá ly re n d s z e r m e g n e v e z é s e
P a ra m é te re k
P rim itív
T é rk ö z e p e s
Lapközepes
N
1
2
4
T
0 ,5 2
0 ,6 8
0 ,7 4
K
6
8
12
a = a (r)
a= 2r
a = 4 r/ 3
a = 4 r/ 2
E le m e k
P
 -F e , C r, W
-F e , A l, A u
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kristálytani síkok és irányok
• Kristálytani számításokhoz a síkok és irányok
jelölése
• Síkok jelölésére szolgálnak a Miller-indexek
• Az irányok jelölésére a kristálytani irányvektorokat
alkalmazzuk
• Az eltérő kristályszimmetria miatt a köbös és a
hexagonális rendszer külön tárgyalása indokolt
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Miller indexek (1)
Vektoros alak
z
( r  ro ) n  0
c
n
Tengelymetszetes alak
y
b
x
a
x
y
z
  1
a b c
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Miller indexek (2)
• A sík önmagával párhuzamos eltolása olymódon,
hogy a sík ne menjen át a KR kezdőpontján
• Az a, b, c tengelymetszetek meghatározása
• A reciprok értékek előállítása (h=1/a, k=1/b, l=1/c),
jelölés: (h,k,l)
• A sík Miller-indexének kifejezése matematikai
átalakítással a legkisebb egész számokká
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Síkcsalád
• A kristálytanilag egyenértékű síkokat síkcsaládnak
nevezzük
• A síkcsalád tagjait azonos számok (pl. 1,0,1 )
permutációival képezett Miller-indexek írják le
• Jelölése:{ h k l }
• { 1,0,1 } = (1,0,1); (1,1,0); (0,1,1);(-1,0,1);(1,0,-1);…
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
z
Jellegzetes síkok (1)
(100)
z
(111)
Metszés:
a, a, a
Miller indexek
z a/a, a/a, a/a
y
y
(110)
x
x
Metszés:
Metszés:
a, ∞, ∞
-a, a, ∞
Miller indexek -a/a, a/a, a/ ∞
Miller indexek a/a, a/∞, a/∞
y
x
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A képlékeny alakváltozás jellemzői
• az atomok rezgésközéppontjukat több száz,
esetenként több ezer rácsállandónyi távolságba
helyezik át
 azaz az atomok kilépnek eredeti rácsukból
 nem maradnak eredeti szomszédjaik környezetében
• a külső terhelés megszüntetése után nem tudnak
visszatérni eredeti rácsukba
 maradó alakváltozás marad vissza
 a képlékeny alakváltozás irreverzibilis folyamat
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A képlékeny alakváltozás mechanizmusa
• Csúszási mechanizmus
• Egyéb mechanizmusok
– alakítási ikerképződés (hexagonális fémeknél, valamint tkk
fémeknél alacsony hőmérsékleteken)
– diffúziós kúszás (növelt hőmérsékleteken)
– szemcsehatár elcsúszás
– Szemcse rotáció (elfordulás)
– Fázisátalakulás indukálta alakváltozás
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A csúszósík és a csúszási irány fogalma
• A csúszósík az atomokkal legtömöttebb kristálytani sík
– hexagonális rácsra: (0 0 0 1) sík (1 db)
– térközepes köbös rácsra: {1 1 0} síkcsalád (6 db)
– lapközepes köbös rácsra: {1 1 1} síkcsalád (4 db)
• a csúszási irány az atomokkal legtömöttebb kristálytani
irány
– hexagonális rácsra: <1 1 2 0> irány (3 db)
– térközepes köbös rácsra: <1 1 1> irány (2 db)
– lapközepes köbös rácsra: <1 1 0> irány (3 db)
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A csúszási rendszer fogalma
• a csúszósíkok és csúszási irányok együttesen
csúszási rendszert alkotnak
• a csúszási rendszerek száma = a csúszósíkok száma
szorozva a csúszási irányok számával, azaz
Ncs.r. = Ncs.sík x Ncs.irány
– hexagonális rácsra: Ncs.r. = 1 x 3 = 3
– térközepes köbös rácsra: Ncs.r. = 6 x 2 = 12
– lapközepes köbös rácsra: Ncs.r. = 4 x 3 = 12
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Elméleti szilárdság
x

a
x
a
 max =
a
max

G   max
2
a
G
2
x

max = id
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
x
Elméleti szilárdság

 2

E
0
0 , 25 r0
E
~
2  E

r0
4
0 . 25 r0
E
~
 
8
r0
r0
2 r0
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Eltérés oka = kristályhibák (1)
Pontszerű kristályhibák
Vakancia
Interszticiós
Szubsztitúciós
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Eltérés oka = kristályhibák (2)
Vonalszerű kristály hibák
t
E

b
A
B
A csavardiszlokáció
tengelye
b
u

u
u
D
C
Éldiszlokáció
Csavardiszlokáció
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Eltérés oka = kristályhibák (3)
Összetett vonalszerű rácshibák
b
D
b
u
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Az alakváltozás nem így megy végbe!
b


Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Hanem így, lépésekben!

|b |
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kristályosodás
Fogalmak
– Termodinamikai rendszer
– Komponensek (egy- vagy többkomponensű)
– Fázisok (definíció)
• Homogén (színfém, ömledék)
• heterogén
– Állapottényezők
•
•
•
•
Hőmérséklet (T)
Nyomás (p)
Koncentráció (c)
Térfogat (V)
– Szabadságfok (szabadon változtatható állapottényezők)
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A megszilárdulás folyamata
(poliéderes)
Szemcse, szemcsehatár,
szemcseméret
Kristálycsira
Kristályosodási képesség
Kristály növekedése
Kristályosodási sebesség
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Gibbs - féle fázisszabály
F+SZ=2+K
– F = a FÁZISOK száma
– SZ = a szabadsági fokok száma
– K = a komponensek száma
ha: p= állandó (1 szabadságfok megkötve)
akkor: F+SZ=
1+K
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Polimorfizmus és allotrópia
• Polimorfizmus fogalma
– különböző hőmérséklet-tartományokban más – más
kristályrendszer szerinti kristályosodás
 többalakúság
• Allotrópia fémek polimorfizmusa
– allotróp módosulatok
– allotróp átalakulások
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
A vas allotróp átalakulása és módosulatai
o
ÖMLEDÉK
Felületen
középpontos
kocka
1500
Hőmérséklet
SZTK
C
Hűtés
Hevítés
A5 = 1536 oC
Ac4 = 1392 oC
sztk
a = 2,93x10-7 mm
Ar4 = 1392 oC
-vas
szfk
a = 3,63x10-7 mm
-vas
1000
Ac3 = 911 oC
paramágneses
-vas (= -vas)
(Ac2 ) = 769
o
-vas
C
ferromágneses
-vas
Térben
középpontos
kocka
Ar3 = pl. 898 oC
Curie pont
(Ar2 ) = 769 oC
sztk
a = 2,86x10-7 mm
500
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Fázisok és szövetelemek
• Ömledék
• Színfém
• Szilárd oldat
• Fémes vegyület
• Színfém
• Szilárd oldat
• Fémes vegyület
• Eutektikum
• Eutektoid
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Vasötvözetek
• alap a vas (Fe),
• alapötvöző a szén (C),
• többalkotós ötvözetet jelent, mivel a gyártási
eljárásból belekerülnek bizonyos elemek
– mindaddig, amíg a
* Si < 0,5 %, Mn < 0,7 %, S+P < 0,035 % feltétel teljesül,
* egyensúlyi kristályosodásuk a Fe-C kétalkotós ötvözetrendszerben
tanulmányozható.
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Vasötvözetek Hein-Charpy féle ikerdiagramja
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév