Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025

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

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

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

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

Az „ipari” anyagok relatív fontossága

Az anyag körforgása

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

Az anyagok szerkezete Amorf kristályos részben kristályos

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

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

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 )

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.

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

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

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 H2O

A kötésmód és a szerkezeti anyag közötti összefüggés

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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

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

Térközepes köbös rácsszerkezet

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.

Lapközepes köbös rácsszerkezet

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

Gyémántrács minden C atom között kovalens kapcsolat van.

Hexagonális rácsszerkezet

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

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 SiO2 kvarc ismert amorf állapotban, de előfordul négyféle kristályos szerkezetben is A színfémek polimorfizmusát allotrópiának nevezzük. Pl.: Co; Ti; Sn; Fe

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 A1, A2 ... An betűkkel jelölik.

Rácsrendezetlenségek, rácshibák A kristályszerkezet megismerése lehetővé tette a maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség (RP0,2) számítását, modellek alapján Az elcsúszást előidéző feszültség számított és a mért értékeke között nagyságrendnyi eltérés volt

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

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

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

Pontszerű rácshibák

Üres rácshelyek Egységnyi térfogatuk a hőmérséklet emelkedésével nő Szobahőmérsékleten kb. 10 18 1000 K-nél már 105 atomra jut üres rácshely Fontos szerepük van a diffúzióban

Idegen atom a rácsban

Egydimenziós rácshibák Diszlokáció Éldiszlokáció csavardiszlokáció

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

Diszlokáció Diszlokáció rozsdamentes acélban (Cr-Ni ötvözés) diszlokáció Ti ötvözetben N 51 450x

A diszlokációsűrűség és a szilárdság közötti összefüggés

Kétdimenziós rácshibák Felület

Kétdimenziós rácshibák Kristály-, krisztallithatár

Kétdimenziós rácshibák Fázishatár koherens semikoherens inkoherens

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.

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

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.

Olvadék dermedése

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,:.

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

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

A kristályosodást befolyásoló tényezők Idegen fajtájú csira

Kristályosodási formák Poliederes dendrites szferolitos

A színfémek és ötvözetek termikus viselkedése Alapfogalmak

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

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)

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

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) a b

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

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

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

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.

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

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

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.

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

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

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.

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

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

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.

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

Egykomponensű rendszer egyensúlya Egykomponensű rendszer akkor van egyensúlyban, ha a fázisok szabadenergiája egyenlő. Folv. = Fszilárd dTkr

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

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 .

Egykomponensű rendszer egyensúlya Egykomponensű rendszer akkor van egyensúlyban, ha a fázisok szabadenergiája egyenlő. Folv. = Fszilárd

Színfém lehűlési görbéje (allotróp átalakulás van ) .

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

A vas fázisainak szabadenergia görbéi .

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

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. .

Vegyület lehűlési görbéje .

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.

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.

Kétalkotós egyensúlyi diagramok szerkesztése .

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

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

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.

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. .

A fázisok mennyisége Emelőszabály Az ötvözet fázisainak mennyiségét határozhatjuk meg vele

Emelőszabály Az olvadék mennyisége A szilárd fázis mennyisége

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.

Fázisdiagram T2 hőmérsékletre

Szilárdoldat kristályosodása (Tamman 6. )

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.

Szilárd oldat Diffúziós izzítás nélkül diffúziós izzítás után

Két szilárdoldat eutektikus rendszere (Tamman 7.)

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

Sn-Pb

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