ATOMREAKTOROK ANYAGAI 2. előadás Dr. Trampus Péter egyetemi tanár 06 20 9855970 trampus@mk.unideb.hu

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?

Atomok kölcsönhatása Elsődleges (erős) kötések ionos kötés kovalens kötés fémes kötés Másodlagos (gyenge) kötések Van der Waals kötés

Ionos kötés r 11 elektron A külső héjon +5,14 eV 17 elektron +11 +17 F vonzerő Elektron felvétel miatt -, ANION Elektron leadás miatt +, KATION 1eV=1,6x10-19 J

Ionos kötések jellegzetességei (3) Cl Cl Atomsugarak: Cl =0,181 nm Cs =0,169 nm Na = 0,095 nm Cs Na

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

Kovalens kötések jellegzetességei (1) a legerősebb elsődleges kötés (gyémánt, kvarc, germánium), nagy rugalmassági modulus olyan elemek között jön létre, amelyek elektro-negativitása között csekély a különbség a kötésben két, vagy több atom vesz részt, olymódon, hogy a legkülső elektronhéjaikon lévő atomokat „megosztják”

Kovalens kötések jellegzetességei (2)

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 vezető-képesség  a fémek nagy szilárdsága és egyidejűleg viszonylag jó alakíthatósága

A fémes kötés jellemzői (2)

A fémes kötés jellemzői (3) 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

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

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 jel-lemző távolságok (a, b, c), a rácsparaméterek

Kristályrendszerek jellemzése (2) Hosszú távú rendezettség

Kristályrendszerek jellemzése (3) Bravais rácsok

Felületen középpontos Köbös rácsok Térben középpontos Felületen középpontos Primitív

Felületen középpontos Tetragonális rácsok Térben középpontos Felületen középpontos Primitív

Hexagonális rácsok Tömött Primitív

Felületen középpontos Alaplapon középpontos Ortorombos rácsok Térben középpontos Felületen középpontos Alaplapon középpontos Primitív

Alaplapon középpontos Monoklin rácsok Alaplapon középpontos Primitív

Egyéb primitív rácsok Triklin Romboéderes

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

Köbös rácsok tulajdonságai

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

Tengelymetszetes alak Miller indexek (1) Vektoros alak Tengelymetszetes alak

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

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);…

Jellegzetes síkok (1) Metszés: a, a, a Miller indexek a/a, a/a, a/a

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

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

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)

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

Elméleti szilárdság max = id

Elméleti szilárdság E

Eltérés oka = kristályhibák (1) Pontszerű kristályhibák Interszticiós Szubsztitúciós Vakancia

Eltérés oka = kristályhibák (2) Vonalszerű kristály hibák A csavardiszlokáció tengelye Éldiszlokáció Csavardiszlokáció

Eltérés oka = kristályhibák (3) Összetett vonalszerű rácshibák

Az alakváltozás nem így megy végbe!

Hanem így, lépésekben!

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)

A megszilárdulás folyamata (poliéderes) Kristály növekedése Kristályosodási sebesség Szemcse, szemcsehatár, szemcseméret Kristálycsira Kristályosodási képesség

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

Polimorfizmus és allotrópia Polimorfizmus fogalma különböző hőmérséklet-tartományokban más – más kristályrendszer szerinti kristályosodás  többalakúság Allotrópia fémek polimorfizmusa allotróp módosulatok allotróp átalakulások

A vas allotróp átalakulása és módosulatai ÖMLEDÉK SZTK Felületen középpontos kocka Térben középpontos kocka

Fázisok és szövetelemek Ömledék Színfém Szilárd oldat Fémes vegyület Színfém Szilárd oldat Fémes vegyület Eutektikum Eutektoid

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.

Vasötvözetek Hein-Charpy féle ikerdiagramja