Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

1 Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025. 2 Az anyag Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja olyanná, ami az igényeknek leginkább megfelel.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "1 Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025. 2 Az anyag Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja olyanná, ami az igényeknek leginkább megfelel."— Előadás másolata:

1 1 Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025

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

3 3 Az anyagok csoportosítása Az anyagok csoportosíthatók:  Halmazállapot szerint  szilárd,  folyékony,  légnemű és  plazma

4 4 Az anyagok csoportosítása Eredet szerint  szerves anyagok, polimerek  természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb.  mesterségesen előállított műanyagok  szervetlen  fémek, kerámiák, kompozitok

5 5 Ipari anyagok, szerkezeti anyagok Ipari anyagoknak vagy szerkezeti anyagoknak a technikailag hasznos tulajdonságú anyagokat nevezzük. Az ipari anyagok lehetnek:  Fémek  Kerámiák  Polimerek  Kompozitok

6 6 Az „ipari” anyagok relatív fontossága

7 7 Az anyag körforgása

8 8 A termékek feladatuk teljesítése után hulladékká válnak. A hulladékot kezelni kell. Ez lehet:  Újrafeldolgozás, újrahasznosítás  Megsemmisítés  Ártalmatlanítás Végleges elhelyezés

9 9 Az anyagok szerkezete Amorf kristályos részben kristályos

10 10 A szilárd anyagok részecskéi közötti kapcsolat A szilárd testek atomjai közötti kapcsolat a kötés két-két részecske közötti kölcsönhatás eredménye. A kölcsönhatás :  mindkét atom magja vonzza a másik elektronjait  a két atom elektronjai taszítják egymást  az atom magok taszítják egymást

11 11 Kötésfajták Elsődleges vagy primér kötés –ionos –kovalens –fémes Másodlagos, gyenge –molekulaközi Van der Waals –hidrogénkötés

12 12 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 )

13 13 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. CH 4, és a C.

14 14 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

15 15 Gyenge, mellékvegyérték kötések A Molekulaközi kötés (Van der Waals kötés) A leggyengébb kötés. A szomszédos atomok, vagy molekulák belső töltés polarizálódásából eredő elektrosztatikus erők hozzák létre. Pl. a szerves anyagok, műanyagok

16 16 Gyenge, mellékvegyérték kötések A hidrogén kötés vagy hidrogén híd a Van der Waals kötéshez hasonló, csak erős polarizálódás eredménye, amely a hidrogén és a vele molekulákat alkotó elemek pl. F, O, Cl, N, C között jön létre. Az erős, állandó dipólus képződés miatt nagyobb a kötési energia. pl. a H 2 O

17 17 A kötésmód és a szerkezeti anyag közötti összefüggés

18 18 Szerkezeti anyagok  szerves anyagok, polimerek  természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb.  mesterségesen előállított műanyagok  szervetlen  fémek, kerámiák, kompozitok

19 19 Szerves anyagok, polimerek A tulajdonságuk elsősorban a szerkezetüktől függ. Lehetnek:  hőre lágyuló termoplasztok,  hőre nem lágyuló duroplasztok  műkaucsukok vagy elasztomerek De általában: könnyűek, kis sűrűségük van, rossz hő-és elektromos vezetők, korrózió állóak

20 20 Fémek  kristályos szerkezetűek,  kiváló hő-és elektromos vezetők  fémes fényűek  képlékenyen alakíthatók  terhelhetőséggel, szilárdsággal rendelkeznek

21 21 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

22 22 Kompozitok Az előző csoportok felhasználásával  szemcsés  tekercselt,  laminált,  szálerősített, tervezett felépítésű anyagok. Tulajdonságaik jelentősen függnek az alkotók tulajdonságaitól, és a kompozit szerkezetétől.

23 23 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.

24 24 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.

25 25 A rácson belüli pontok, irányok síkok, megadása Pont  koordinátákkal kristálytani irány  Miller index kristálytani sík  Miller index

26 26 A rácsszerkezet jellemzői Koordinációs szám atomátmérő elemi cellát alkotó atomok száma térkitöltési tényező elemi cellába illeszthető legnagyobb gömb legsűrűbb illeszkedési sík és irány

27 27 Köbös vagy szabályos rendszer Egyszerű vagy primitív (Po) Térközepes Lapközepes gyémántrács

28 28 Térközepes köbös rácsszerkezet

29 29 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.

30 30 Lapközepes köbös rácsszerkezet

31 31 Lapközepes köbös Al, Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Ir, Pt valamint a vas (  -Fe) 911 C  és 1392 C  között.

32 32 Gyémántrács minden C atom között kovalens kapcsolat van.

33 33 Hexagonális rácsszerkezet

34 34 Hexagonális rendszer Egyszerű pl. grafit szoros illeszkedésű pl. Be, Zn, Mg, Cd és a Ti egyik módosulata

35 35 Polimorfizmus, allotrópia A kristályos szerkezet néhány esetben nincs egyértelmű kapcsolatban az összetétellel. A rácsszerkezet a fizikai paraméterek: hőmérséklet és nyomás függvényében megváltozhat. Ez a polimorfizmusnak nevezett jelenség SiO 2 kvarc ismert amorf állapotban, de előfordul négyféle kristályos szerkezetben is A színfémek polimorfizmusát allotrópiának nevezzük. Pl.: Co; Ti; Sn; Fe

36 36 Allotróp átalakulás Az elem egymás után előforduló rácsú változatait az un. allotróp módosulatait a hőmérséklet növekvő sorrendjében a görög ábécé betűivel, az átalakulások hőmérsékleteit pedig rendre A 1, A 2... A n betűkkel jelölik.

37 37 Rácsrendezetlenségek, rácshibák A kristályszerkezet megismerése lehetővé tette a maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség (R P0,2 ) számítását, modellek alapján Az elcsúszást előidéző feszültség számított és a mért értékeke között nagyságrendnyi eltérés volt

38 38 A fémkristályokban az elcsúszás a képlékeny alakváltozás nem egyszerre következik be, hanem egy adott síkon és adott irányban „fokozatosan” következik be. Magyarázat 1

39 39 Magyarázat 2 Az elcsúszás nem egyszerre, hanem „fokozatosan” megy végbe Ez csak akkor lehetséges, ha a kristály tartalmaz egyméretű rácshibákat, diszlokációkat.

40 40 Reális rács, rácsrendezetlenségek, rácshibák A rácsrendezettlenségeket kiterjedésük szerint csoportosíthatjuk:  Nulladimenziós (pontszerű) rácshibák  Egydimenziós (vonalszerű) rácshibák  Két- és háromdimenziós (sík és térbeli) hibák

41 41 Pontszerű rácshibák

42 42 Üres rácshelyek Egységnyi térfogatuk a hőmérséklet emelkedésével nő Szobahőmérsékleten kb K-nél már 10 5 atomra jut üres rácshely Fontos szerepük van a diffúzióban

43 43 Idegen atom a rácsban

44 44 Egydimenziós rácshibák Diszlokáció Éldiszlokáció csavardiszlokáció

45 45 A diszlokáció az elcsúszott és el nem csúszott részek határvonala! A diszlokációk elmozdulásával jön létre a fémben a képlékeny alakváltozás!

46 46 Diszlokáció Diszlokáció rozsdamentes acélban (Cr-Ni ötvözés) diszlokáció Ti ötvözetben N x

47 47 A diszlokációsűrűség és a szilárdság közötti összefüggés

48 48 Kétdimenziós rácshibák Felület

49 49 Kétdimenziós rácshibák  Kristály-, krisztallithatár

50 50 Kétdimenziós rácshibák Fázishatár –koherens –semikoherens –inkoherens

51 51 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.

52 52 Fémkristályok, krisztallitok A fémek esetében csak speciális hűtési módszerrel tudunk egykristályokat kialakítani. Bármely fémdarabot megnézve azon a kristályosság nem fedezhető fel. Ezek a krisztallitok

53 53 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.

54 54 Olvadék dermedése

55 55 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: K K. A kristályosodási sebesség. Jele: K S,: .

56 56 Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor? Lassú hűtés (pl. homokforma) a csiraképződés kicsi, a növekedés sebessége nagy. Az eredmény durva szemcseszerkezet

57 57 Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor? Gyors hűtés (pl. fémforma, kokilla) a csiraképződés nagy, a növekedés sebessége nagy. Az eredmény finom szemcseszerkezet

58 58

59 59 A kristályosodást befolyásoló tényezők Idegen fajtájú csira

60 60 Kristályosodási formák Poliederes dendrites szferolitos

61 61 A színfémek és ötvözetek termikus viselkedése Alapfogalmak

62 62 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

63 63 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)

64 64 Szilárd oldat  szubsztitúciós az alapfém atomját helyettesíti  intersztíciós az alapfém atomjai közé beékelődik

65 65 Az oldódás lehet: Korlátlan, ha: (csak szubsztitúciós)  azonos a rácsszerkezet  atomátmérőben  % -nál nem nagyobb az eltérés  azonos a vegyérték Korlátozott ( csak meghatározott százalékig) 

66 66 Fémvegyület Ionvegyületek pl. NaCl, CaF 2, ZnS elektronvegyület pl. CuZn, Cu 5 Zn 8, CuZn 3 vagy AgZn, Cu 5 Si intersztíciós vegyület pl. A 4 B, A 2 B, AB vagy AB 2 lehet vagy ilyen pl. a Fe 3 C, Mn 7 C 3

67 67 Az ötvözet alkotó nem oldják egymást Ha az ötvözet alkotói nem oldják egymást szilárd állapotban az ötvözetrendszerben megjelenik az eutektikum

68 68 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

69 69 A fémek és ötvözeteik egyensúlya A rendszert az alkotók vagy komponensek építik fel. Jele: K A rendszer állapotát az állapottényezők határozzák meg. Ezek: a hőmérséklet T a nyomás p a koncentráció c Az állapothatározók és a fázisok száma között egyensúly esetén összefüggés van.

70 70 A rendszer állapota lehet Stabil (legalacsonyabb energia szint) metastabil azt jelenti, hogy a rendszer fázisainak energiája nem a legkisebb, mégis hosszú ideig képesek ebben az állapotban maradni instabil

71 71 A rendszer állapotának vizsgálata A rendszer állapota vizsgálható: –Gibbs féle fázisszabály segítségével –A fázisok szabadenergiái alapján

72 72 A Gibbs féle fázisszabály általános alakja A Gibbs - féle fázisszabály általános alakja szerint a fázisok (F) és a szabadsági fokok (Sz) számának összege kettővel több, mint a komponensek (K) száma F + Sz = K + 2 A képletben szereplő 2-es szám, a nyomást és a hőmérsékletet, mint független változókat jelenti.

73 73 A Gibbs féle fáziszabály fémekre érvényes alakja A fémek esetében a nyomásnak alig van hatása, ezért állandónak tekintjük. Ezért a fázisszabály fémekre vonatkozó alakja: F + Sz = K + 1

74 74 A rendszer állapotának termodinamikai vizsgálata A rendszer, adott körülmények között akkor van termodinamikai egyensúlyban ha a szabadenergiája minimális. A rendszer mindig a legalacsonyabb energiaszintre törekszik. A spontán, külső beavatkozás nélkül létrejövő folyamatok, minden esetben csökkentik a rendszer szabadenergiáját

75 75 F szabadenergia függvény Az F szabadenergia függvényt az F = U - T.S kifejezés határozza meg. A képletben U a rendszer belső energiája, T az abszolút hőmérséklet, S a rendszer entrópiája. Az így megadott szabadenergia az un. Helmholtz féle szabadenergia.

76 76 A Gibbs féle szabadentelpia A Gibbs féle szabadenergiát vagy szabadentalpiát G = U - T.S + pV = H - T.S összefüggés adja meg ahol, p a nyomás, V a térfogat. H = U + pV a rendszer entalpiája. A fémeknél, mint láttuk a pV nyomás hatása a legtöbb esetben elhanyagolható, mivel a nyomás és a térfogat jó közelítéssel állandó, így az egyensúly feltétele : G =U - T.S

77 77 Az esetek túlnyomó többségében nem az energia abszolút értéke, hanem az energiakülönbség nagysága fontos. Fémek esetében a két függvény az F és a G ugyanazt a szabadenergia különbséget adja.  F =  G

78 78 A rendszer belső energiája a rendszert alkotó részecskék kinetikus és potenciális energiájának összege. A belső energia állapotfüggvény Ha egy fémet hevítünk nő a belső energiája, ami túlnyomó többségében a részecskék rezgési amplitúdóját növeli, viszonylag kis része pedig növeli a ponthibák koncentrációját.

79 79 Entrópia Termodinamikailag szemléletesebben statisztikus entrópia S = k lnw w a termodinamikai valószínűség, azaz a belső energia a részecskék között hogyan oszlik meg

80 80 Egykomponensű rendszer egyensúlya Egykomponensű rendszer akkor van egyensúlyban, ha a fázisok szabadenergiája egyenlő. F olv. = F szilárd dT kr

81 81 Többkomponensű rendszerek Az egyensúlyi állapot ebben az esetben nem az egyes fázisok szabadenergiáinak minimumát jelenti, hanem azt, hogy a rendszer együttes szabadenergiája minimális

82 82 Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás) F + Sz = K + 1. K = 1 1. Szakasz F=1 olvadék Sz =1  T változhat 2. Szakasz F=2 olvadék + szilárd Sz= 0  T = constans 3. Szakasz F=1 szilárd Sz=1  T változhat.

83 83 Egykomponensű rendszer egyensúlya Egykomponensű rendszer akkor van egyensúlyban, ha a fázisok szabadenergiája egyenlő. F olv. = F szilárd

84 84 Színfém lehűlési görbéje (allotróp átalakulás van )....

85 85 Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás) Egyszerűsített lehülési görbe.

86 86 A vas fázisainak szabadenergia görbéi....

87 87 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

88 88 Vegyület lehűlési görbéje A vegyületek (A m B n ) 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..

89 89 Vegyület lehűlési görbéje....

90 90 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.

91 91 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.

92 92 Kétalkotós egyensúlyi diagramok szerkesztése....

93 93 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

94 94 Az egyensúlyi diagramok értelmezése A kijelölt ötvözet T 1 – homogén olvadék T 2 -heterogén T 3 -homogén, szilárdoldat

95 95 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.

96 96 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..

97 97 A fázisok mennyisége Emelőszabály Az ötvözet fázisainak mennyiségét határozhatjuk meg vele

98 98 Emelőszabály Az olvadék mennyisége A szilárd fázis mennyisége

99 99 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.

100 100 Fázisdiagram T 2 hőmérsékletre

101 101 Szilárdoldat kristályosodása (Tamman 6. )

102 102 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.

103 103 Szilárd oldat Diffúziós izzítás nélküldiffúziós izzítás után

104 104 Két szilárdoldat eutektikus rendszere (Tamman 7.)

105 105 Eutektikum képződés Az eutektikum két likvidusz metszéspontjának megfelelő összetételnél képződik, állandó hőmérsékleten. Általános egyenlete: olvadék  szilárd 1 + szilárd 2

106 106 Sn-Pb

107 107 Két szilárd oldat peritektikus rendszere (Tammann 8.) A peritektikus reakció. olvadék C +  E   D


Letölteni ppt "1 Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025. 2 Az anyag Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja olyanná, ami az igényeknek leginkább megfelel."

Hasonló előadás


Google Hirdetések