Fémtan, anyagvizsgálat 1

Az előadások a következő témára: "Fémtan, anyagvizsgálat 1"— Előadás másolata:

1 Fémtan, anyagvizsgálat 1

2 Az anyag Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja olyanná, ami az igényeknek leginkább megfelel.

3 Az anyagok szerkezete Amorf kristályos részben kristályos

4 Fémek kristályos szerkezetűek, kiváló hő-és elektromos vezetők
fémes fényűek képlékenyen alakíthatók terhelhetőséggel, szilárdsággal rendelkeznek

5 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

6 Kompozitok Az előző csoportok felhasználásával szemcsés tekercselt,
laminált, szálerősített, tervezett felépítésű anyagok. Tulajdonságaik jelentősen függnek az alkotók tulajdonságaitól, és a kompozit szerkezetétől.

7 Kötésfajták Elsődleges vagy primér kötés Másodlagos, gyenge ionos
kovalens fémes Másodlagos, gyenge molekulaközi Van der Waals hidrogénkötés

8 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 )

9 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.

10 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

11 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.

12 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.

13 Köbös vagy szabályos rendszer
Egyszerű vagy primitív (Po) Térközepes Lapközepes gyémántrács

14 Térközepes köbös rácsszerkezet

15 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.

16 Lapközepes köbös rácsszerkezet

17 Lapközepes köbös Al, Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Ir, Pt valamint a vas (-Fe) 911 C és 1392 C között.

18 Gyémántrács minden C atom között kovalens kapcsolat van.

19 Hexagonális rácsszerkezet

20 Hexagonális rendszer Egyszerű pl. grafit
szoros illeszkedésű pl. Be, Zn, Mg, Cd és a Ti egyik módosulata

21 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.

22 Fémkristályok, krisztallitok
A fémek esetében csak speciális hűtési módszerrel tudunk egykristályokat kialakítani. Bármely fémdarabot megnézve azon a kristályosság nem fedezhető fel. Ezek a krisztallitok

23 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.

24 Olvadék dermedése

25 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. A kristályosodási képesség Jele: KK . A kristályosodási sebesség . Jele: KS,:.

26 Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor?
Lassú hűtés (pl. homokforma) a csiraképződés kicsi, a növekedés sebessége nagy. Az eredmény durva szemcseszerkezet

27 Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor?
Gyors hűtés (pl. fémforma, kokilla) a csiraképződés nagy, a növekedés sebessége nagy. Az eredmény finom szemcseszerkezet

28

29 A kristályosodást befolyásoló tényezők Idegen fajtájú csira

30 Kristályosodási formák
Poliederes dendrites szferolitos

31 Diffúzió A fémekben lejátszódó diffúzió alatt az atomoknak a szilárd fémben való mozgását értjük, mely koncentráció változást idéz elő. Hajtóerő a koncentráció ill. a szabadenergia különbség

32 A színfémek és ötvözetek termikus viselkedése
Alapfogalmak

33 Színfémek és ötvözetek
ötvözet= olyan , legalább látszatra egynemű, fémes természetű elegy, amelyet két vagy több fém összeolvasztása, vagy egymásban való oldása utján nyerünk. Alapfém ötvöző szennyező

34 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)

35 Szilárd oldat szubsztitúciós az alapfém atomját helyettesíti
intersztíciós az alapfém atomjai közé beékelődik

36 Az oldódás lehet: Korlátlan, ha: (csak szubsztitúciós)
azonos a rácsszerkezet atomátmérőben  % -nál nem nagyobb az eltérés azonos a vegyérték Korlátozott ( csak meghatározott százalékig) a b

37 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

38 Az ötvözet alkotó nem oldják egymást
Ha az ötvözet alkotói nem oldják egymást szilárd állapotban az ötvözetrendszerben megjelenik az eutektikum

39 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

40 Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás)
Egyszerűsített lehülési görbe .

41 Színfém lehűlési görbéje (allotróp átalakulás van )
.

42 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 Dermedési hőköz

43 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. .

44 Vegyület lehűlési görbéje
.

45 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. Az egyensúlyi diagram vízszintes tengelyén az A és B alkotó összes lehetséges koncentrációi, függőleges tengelyén a hőmérséklet van feltüntetve.

46 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 tengelyre a hőmérsékletet visszük fel.

47 Kétalkotós egyensúlyi diagramok szerkesztése
.

48 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

49 Az egyensúlyi diagramok értelmezése
A kijelölt ötvözet T1 – homogén olvadék T2 -heterogén T3 -homogén, szilárdoldat

50 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.

51 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. .

52 A fázisok mennyisége Emelőszabály
Az ötvözet fázisainak mennyiségét határozhatjuk meg vele

53 Emelőszabály Az olvadék mennyisége A szilárd fázis mennyisége

54 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.

55 Fázisdiagram T2 hőmérsékletre

56 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.

57 Szilárd oldat Diffúziós izzítás nélkül diffúziós izzítás után

58 Két szilárdoldat eutektikus rendszere (Tamman 7.)

59 Eutektikum képződés Az eutektikum két likvidusz metszéspontjának megfelelő összetételnél képződik, állandó hőmérsékleten. Általános egyenlete: olvadék szilárd 1 + szilárd 2

60 Sn-Pb