Anyagismeret 2. Fémek és ötvözetek

A fémek és ötvözetek szerkezete Színfém Ötvözet: alapfém, ötvöző, szennyező Szerkezet: szilárd oldat, vegyület

A fémek és ötvözetek szerkezete Szilárd oldat szubsztitúciós: az alapfém atomját helyettesíti intersztíciós: az alapfém atomjai közé beékelődik

A fémek és ötvözetek szerkezete Az oldódás lehet: Korlátlan, ha: (csak szubsztitúciós) atomátmérőben 14 - 15 % -nál nem nagyobb az eltérés azonos a rácsszerkezet azonos a vegyérték Korlátozott lehetséges összetételek: a b A 100% A 0% B 0% B 100%

A fémek és ötvözetek szerkezete Fémvegyület Ionvegyületek: pl. NaCl, CaF2 , ZnS Elektronvegyületek: pl. CuZn, Cu5Zn8, CuZn3 vagy AgZn, Cu5Si Intersztíciós vegyület: pl. Fe3C, Mn7C3

A fémek és ötvözetek szerkezete Az elemzés alapja a termodinamikai vizsgálat A rendszer, adott körülmények között akkor van termodinamikai egyensúlyban, ha a szabad energiája minimális. A rendszer mindig a legalacsonyabb energiaszintre törekszik. A spontán, külső beavatkozás nélkül létrejövő folyamatok, minden esetben csökkentik a rendszer szabad energiáját.

A fémek és ötvözetek szerkezete A rendszer állapota lehet: stabil: (legalacsonyabb energia szint) metastabil: a rendszer fázisainak energiája nem a legkisebb, de képesek ebben az állapotban maradni instabil Többkomponensű szerkezetek

A fémek és ötvözetek szerkezete Fázisok, komponensek, szabadsági fokok Többkomponensű egyensúlyi rendszerek viselkedésének leírására szolgál a Gibbs-féle fázistörvény, ami általános érvényű összefüggés a szabadsági fokok (Sz), a komponensek (K) és az egyensúlyi fázisok (F) száma között: F + Sz = K + 2     

A fémek és ötvözetek szerkezete Fázis: a termodinamikai rendszer azonos fizikai és kémiai paraméterekkel rendelkező részeinek összessége Adott fázisnak jellemzője lehet a halmazállapot, de azonos halmazállapotú részei a rendszernek alkothatnak több fázist is. Lényeges jellemzője a fázisoknak, hogy optikai módszerekkel megkülönböztethetők, továbbá fizikai módszerekkel szétválaszthatók. Komponens: a rendszer kémiailag független alkotórészei (egymástól függetlenül létező anyagfajták, molekulafajták). Ha a rendszer különféle molekulái között reakciók mehetnek végbe, a komponensek számát a jelenlevő anyagfajták és a köztük lehetséges független reakciók számának különbsége adja meg.

A fémek és ötvözetek szerkezete Szabadsági fok: a szabadon változtatható intenzív paraméterek száma A paraméterek értékét egy bizonyos folytonos intervallumon belül szabadon választhatjuk meg anélkül, hogy a fázisok száma megváltozna. Pl: légköri nyomáson a víz olvadáspontja és forráspontja között a hőmérséklet szabadon változtatható, de új fázis nem jelenik meg és a folyadékfázis nem tűnik el. Zérus szabadsági fokú rendszer egyetlen paraméterét sem változtathatjuk szabadon. Amennyiben mégis, az feltétlenül fázis eltűnésével jár. Ha a szabadsági fokok száma 1, 2, …, n, akkor 1, 2, …, n intenzív mennyiséget választhatunk meg folytonos tartományon belül szabadon anélkül, hogy a megadott fázisok eltűnnének.

A fémek és ötvözetek szerkezete A fázisegyensúly legáltalánosabb feltétele, hogy állandó hőmérséklet és nyomás mellett az egyensúlyi a és b fázisokban egyaránt jelenlevő B komponensre nézve teljesülnie kell, hogy a szóban forgó komponens kémiai potenciálja az egyensúlyi fázisokban ugyanakkora.

A fémek és ötvözetek szerkezete A legegyszerűbb heterogén egyensúlyok az egykomponensű rendszerek különböző fázisai között jönnek létre. (szilárd-folyadék, illetve folyadék-gőz) A gyakorlatban fontos a többkomponensű heterogén rendszerek, pl. oldószer/oldott anyag rendszer, vagy két fém ötvözete, szilárd-folyadék egyensúlya is. A legegyszerűbb eset, amikor a komponensek sem vegyületet, sem szilárd oldatot nem képeznek egymással, csupán egyetlen eutektikumot. (Ilyen típusú kétkomponensű rendszert alkot a víz különböző sókkal (pl.: NaCl, KCl, karbamid, stb.) (Eutektikum (görög; eutektos = könnyen olvadó): Két vagy több olyan anyag jellegzetes elegye, amelyek egymással homogén folyadékot (olvadékot, v. oldatot) képeznek, szilárd állapotban azonban nem elegyednek.

A fémek és ötvözetek szerkezete Színfém és vegyület lehűlési görbéje

A fémek és ötvözetek szerkezete Szilárd oldat lehűlési görbéje

A fémek és ötvözetek szerkezete A különböző fázisok egyensúlyi viszonyait általában fázisdiagramon ábrázoljuk. Erre egy példa a többkomponensű rendszerek olvadáspontjának az összetétellel való változását állandó nyomáson feltüntető diagram

A fémek és ötvözetek szerkezete A fázisdiag- ramok megszer-kesztésé-hez szükséges lehűlési görbéket légköri nyomáson vesszük fel

A fémek és ötvözetek szerkezete Kétalkotós egyensúlyi diagramok szerkesztése

A fémek és ötvözetek szerkezete az olvadék dermedése:

A fémek és ötvözetek szerkezete

Irodalom …..Szemelvények Szentgyörgyiné Gyöngyösi Éva – Bencsik Ferenc Pál : Villamos anyagismeret és technológia (Nemzeti tankönyvkiadó) Csizmadia Ferencné: Anyagismeret (SzIF-Universitas Kft.) Ginsztler – Hidasi –Dévényi: Alkalmazott anyagtudomány (Műegyetemi Kiadó)