Transcript Anyagok, dermedés, lehülések

Fémtan, anyagvizsgálat
1
1
Az anyag
Az anyagot az ember nyeri ki a
természetből és alakítja
olyanná, ami az igényeknek
leginkább megfelel.
2
Az anyagok szerkezete
• Amorf
• kristályos
• részben
kristályos
3
Fémek
kristályos szerkezetűek,
kiváló hő-és elektromos vezetők
fémes fényűek
képlékenyen alakíthatók
terhelhetőséggel, szilárdsággal
rendelkeznek
4
Kerámiák
 szerkezetük rövid távon rendezett
 rossz hő-és elektromos vezetők
 nagy a villamos ellenállásuk, az
ellenállás a hőmérséklet növelésével
általában csökken
 nagy hőállósággal rendelkeznek
 kis a hősokkállóság
 kemények, ridegek
5
Kompozitok
• Az előző csoportok felhasználásával
szemcsés
tekercselt,
laminált,
szálerősített,
tervezett felépítésű anyagok.
• Tulajdonságaik jelentősen függnek az alkotók
tulajdonságaitól, és a kompozit szerkezetétől.
6
Kötésfajták
• Elsődleges vagy primér kötés
– ionos
– kovalens
– fémes
• Másodlagos, gyenge
– molekulaközi Van der Waals
– hidrogénkötés
7
Elsődleges vagy primer kötés
• Az ionos kötés
akkor jön létre, ha az egyik
elemnek
elektron
feleslege,
a
másik
elemnek pedig elektron
hiánya van zárt nemes
gáz
konfigurációhoz
képest. Pl. a NaCl (
konyhasó )
8
Elsődleges vagy primer kötés
A kovalens kötés azonos
fajtájú elemek között
keletkezik. A nemes
gáz konfiguráció
elérése érdekében a
legközelebbi
szomszédok
megosztják
elektronjaikat, közös
elektron párokat
kialakítva. Pl. CH4,
és a C.
9
Elsődleges vagy primer kötés
A fémes kötés esetében a zárt
héj elérése érdekében a
fémek atomjai leadják a
vegyérték elektronjaikat.
A leadott elektronok un szabad
elektron felhőt alkotva,
egyaránt tartoznak a kristály
valamennyi atomjához.,
pontosabban ionjához.
Pl. a fémek
10
A kristályos szerkezet leírása
• A rácsszerkezet leírására
koordináta rendszereket
alkalmazunk.
• A rácsszerkezet x, y, z,
koordináta rendszerben a
rácselem oldaléleinek
nagyságával (a, b, c) és
a tengelyek által bezárt
szöggel a jellemezhető.
• A lehetséges
kristályrácsokat 7
koordináta rendszerrel ill.
14 Bravais rács típussal
le lehet írni.
11
Kristályos szerkezet
• A kristályos szerkezetben
az atomok
szabályos
geometriai
rendben
helyezkednek el.
• Azt a legkisebb - több atomból álló szabályos
idomot,
melynek
ismételgetésével a rácsszerkezet leírható
a rácselemnek , vagy elemi cellának
nevezzük.
12
Köbös vagy szabályos rendszer
•
•
•
•
Egyszerű vagy primitív (Po)
Térközepes
Lapközepes
gyémántrács
13
Térközepes köbös
rácsszerkezet
14
Térközepes köbös
Li, Na, K, V, Cr,
W, Ta,
a vas (-Fe)
1392 C és az
olvadáspont
(1536 C)
között illetve
911 C(-Fe )
alatt.
r
3
4
a
15
Lapközepes köbös
rácsszerkezet
16
Lapközepes köbös
Al, Cu, Au,
Pb, Ni, Ir,
valamint a
(-Fe) 911
és 1392
között.
Ag,
Pt
vas
C
C
17
Gyémántrács
minden C atom
között kovalens
kapcsolat van.
18
Hexagonális rácsszerkezet
19
Hexagonális rendszer
• Egyszerű pl. grafit
• szoros illeszkedésű
pl. Be, Zn, Mg, Cd és
a Ti egyik módosulata
20
Kristályosodás
A
kristályos szerkezet
rácselemekből épül fel,
melynek
alakja
változatos
és
jellegzetes. Az ionos és
kovalens
kötéssel
rendelkező anyagok, az
ásványok,
kerámiák
kristályainak
külső
alakja
formatartó,
magán viseli a rácstípus
jellegzetességeit. Ezek
az
egyedülálló
kristályok
az
egykristályok.
21
Fémkristályok, krisztallitok
• A fémek esetében
csak speciális
hűtési módszerrel
tudunk
egykristályokat
kialakítani. Bármely
fémdarabot
megnézve azon a
kristályosság nem
fedezhető fel.
• Ezek a krisztallitok
22
Olvadék dermedése
az
olvadékban
az
atomok
összekapcsolódásával
kristálycsirák
képződnek. A kristályosodás során a
meglévő
csirákhoz
további
atomok
kapcsolódnak,
a
csirák
növekedni
kezdenek.
Növekedés
közben
a
szomszédos, szabályos lapokkal határolt
kristályok egymásba érve akadályozzák
egymást, így szabálytalan határfelületekkel
határolt
szemcsék
un.
krisztallitok
keletkeznek.
23
Olvadék dermedése
24
Kristályosodás
A
kristályosodás,
a
krisztallitok jellege és
mérete a kristályosodási
képességtől,
vagy
csiraképződéstől, és a
kristályok
növekedésének
sebességétől
függ.
Mindkét
tényezőt
befolyásolja
az
olvadásponthoz képesti
túlhűtés mértéke.
25
Milyen szemcseméret alakul
ki dermedéskor?
Lassú hűtés
• (pl. homokforma) a
csiraképződés kicsi,
a növekedés
sebessége nagy.
• Az eredmény durva
szemcseszerkezet
26
Milyen szemcseméret alakul
ki dermedéskor?
Gyors hűtés
• (pl. fémforma,
kokilla)
a csiraképződés
nagy, a növekedés
sebessége nagy.
• Az eredmény finom
szemcseszerkezet
27
28
A kristályosodást befolyásoló
tényezők
Idegen fajtájú csira
29
Kristályosodási formák
• Poliederes
• dendrites
• szferolitos
30
Diffúzió
A
fémekben
lejátszódó
diffúzió
alatt az atomoknak a
szilárd fémben való
mozgását
értjük,
mely
koncentráció
változást idéz elő.
Hajtóerő
koncentráció ill.
szabadenergia
különbség
a
a
31
A színfémek és ötvözetek
termikus viselkedése
Alapfogalmak
32
Színfémek és ötvözetek
• Színfém
• ötvözet= olyan , legalább látszatra
egynemű, fémes természetű elegy,
amelyet két vagy több fém
összeolvasztása, vagy egymásban való
oldása utján nyerünk.
Alapfém
ötvöző
szennyező
33
Az ötvözetek szerkezete,
fázisai
• színfém,
• szilárdoldat
• vegyület
Ezek a kristályos fázisok előfordulhatnak
önállóan, mint egy fázisú szövetelemek,
de alkothatnak egymással kétfázisú
heterogén szövetelemeket is (eutektikum,
eutektoid)
34
Szilárd oldat
szubsztitúciós
az
alapfém
atomját
helyettesíti
intersztíciós
az
alapfém
atomjai
közé beékelődik
35
Az oldódás lehet:
• Korlátlan, ha: (csak szubsztitúciós)
 azonos a rácsszerkezet
 atomátmérőben 14 - 15 % -nál nem
nagyobb az eltérés
 azonos a vegyérték
•Korlátozott ( csak meghatározott százalékig)

b
36
Fémvegyület
• Ionvegyületek pl. NaCl, CaF2 , ZnS
• elektronvegyület pl. CuZn, Cu5Zn8,
CuZn3 vagy AgZn, Cu5Si
• intersztíciós vegyület pl. A4B, A2B, AB
vagy AB2 lehet vagy ilyen pl. a Fe3C,
Mn7C3
37
Az ötvözet alkotó nem oldják
egymást
Ha az ötvözet alkotói nem oldják egymást
szilárd állapotban az
ötvözetrendszerben megjelenik az
eutektikum
38
A fémek és ötvözeteik
egyensúlya
Vizsgálatainkat az anyagnak a külvilágtól
elkülönített részén az un. rendszerben
végezzük.
A rendszer az anyagnak a külvilágtól
megfigyelés céljából elkülönített része.
– Homogén vagy egyfázisú
– heterogén vagy többfázisú
• A rendszer homogén, önálló határoló
felületekkel elkülöníthető része a fázis.
Jele: F
39
Színfém lehűlési görbéje
(nincs allotróp átalakulás)
Egyszerűsített
lehülési görbe
.
.
40
Színfém lehűlési görbéje
(allotróp átalakulás van )
.
.
41
Szilárd oldat lehűlési görbéje
F+1=K+1
K= 2 A és B
1. Szakasz F=1 Sz=2
T és c változhat
2. Szakasz F = 2 Sz = 1
T változhat
3. Szakasz F = 1 Sz = 2
T és c változhat
Dermedési hőköz
42
Vegyület lehűlési görbéje
A vegyületek
(AmBn) keletkezhet un. nyílt
maximummal,
azaz
egy
állandó
hőmérsékleten dermed és olvad a vegyület,
ami a színfémmel azonos lehűlési görbét
eredményez.
• A vegyület peritektikus képződése azt jelenti,
hogy a vegyület egy állandó hőmérsékleten
egy
nagyobb
olvadás-dermedéspontú
szilárdfázisból
és
egy
meghatározott
összetételű olvadék fázisból keletkezik. A
lehűlési görbe ebben az esetben is vízszintes,
mert a folyamatban F = 3 , SZ = 0 és így T =
állandó.
43
Vegyület lehűlési görbéje
.
.
44
Kétalkotós egyensúlyi
diagramok
A fémek és ötvözeteik viselkedésének
vizsgálata
a
lehűlési
görbék
segítségével megtehető. Ha azonban
két fém minden lehetséges összetételét
akarjuk tanulmányozni, olyan diagramot
kell felvennünk, ahol az összes
lehetséges lehűlési görbe jellemzőit fel
tudjuk tüntetni. Az ilyen diagramot
egyensúlyi diagramnak vagy állapot
ábrának nevezzük.
45
Kétalkotós egyensúlyi diagramok
Az
egyensúlyi
diagram
vízszintes
tengelyén az A és B alkotó összes
lehetséges
koncentrációi
vannak
feltüntetve.
Ez
az
alapvonal
koncentráció egyenes - hossza 100 % nak felel meg. A vonal egyik vég pontja a
tiszta A (100 % A) , a másik vég pontja a
tiszta B (100 % B) alkotónak felel meg. A
közbenső pontok, A-tól B felé haladva a
két alkotó %-át mutatják. A függőleges
46
tengelyre a hőmérsékletet visszük fel.
Kétalkotós egyensúlyi diagramok
szerkesztése
.
.
47
Az egyensúlyi diagramok
értelmezése
adott ötvözetben és adott hőmérsékleten az
alábbi kérdéseket kell megválaszolni az
egyensúlyi diagramok segítségével:
milyen fázis, vagy fázisok találhatók
milyen az adott fázis, vagy fázisok
összetétele, koncentrációja
mennyi a fázis, vagy fázisok mennyisége
48
Az
egyensúlyi
diagramok
értelmezése
A kijelölt ötvözet
T1 – homogén
olvadék
T2 -heterogén
T3 -homogén,
szilárdoldat
49
Heterogén, kétfázisú területben
Az ötvözetet a hőmérséklet
jelző izotermának a
likvidusz és szolidusz
vonallal határolt részén
az un konóda jellemzi.
Két végpontja a két fázist
mutatja.
50
A fázisok összetétele
Koncentráció szabály
A koncentráció szabály,
a likvidusz és a konóda
metszéspontja a
koncentráció egyenesre
vetítve az olvadék fázis,
a szolidusz és a konóda
metszéspontja pedig a
szilárd fázis összetételét
adja meg.
.
51
A fázisok mennyisége
Emelőszabály
Az ötvözet fázisainak
mennyiségét
határozhatjuk meg vele
52
Emelőszabály
• Az olvadék mennyisége
c
x
cd
• A szilárd fázis
mennyisége
d
1 x 
cd
53
A fázisok mennyiségének
meghatározása szerkesztéssel
A fázisok mennyiségét a számítás módszeren
kívül grafikusan is meghatározhatjuk a fázis
diagram segítségével.
A fázis diagramot az egyensúlyi diagram alá
rajzoljuk , úgy, hogy az egyik oldala megegyezik
a koncentráció egyenessel, és szintén a
koncentrációt mutatja, másik, rövidebb oldala
pedig
az ötvözet fázisainak mennyiségét
mutatja %-ban.
54
Fázisdiagram
T2 hőmérsékletre
55
A szilárd oldat valóságos
kristályosodása
A valóságban azonban
a szilárd oldatként
kristályosodó
ötvözetek összetétele
a szemcsén belül
változó, a szemcse
széle felé dúsul az
alacsonyabb olvadás
pontú ötvöző.
56
Szilárd oldat
Diffúziós izzítás nélkül
után
diffúziós izzítás
57
Két
szilárdoldat
eutektikus
rendszere
(Tamman 7.)
58
Eutektikum képződés
Az eutektikum két likvidusz
metszéspontjának
megfelelő összetételnél
képződik,
állandó
hőmérsékleten.
Általános egyenlete:
olvadék szilárd 1 + szilárd 2
59
Sn-Pb
60