Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025

Az előadások a következő témára: "Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025"— Előadás másolata:

1 Fémtan, anyagvizsgálat LGB_AJ025

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

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

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

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 Az „ipari” anyagok relatív fontossága

7 Az anyag körforgása

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

9 Az anyagok szerkezete Amorf kristályos részben kristályos

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

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 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.

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 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 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

17 A kötésmód és a szerkezeti anyag közötti összefüggés

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

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

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

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

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

28 Térközepes köbös rácsszerkezet

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 Lapközepes köbös rácsszerkezet

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

32 Gyémántrács minden C atom között kovalens kapcsolat van.

33 Hexagonális rácsszerkezet

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

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

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 A1, A2 ... An betűkkel jelölik.

37 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

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

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

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

41 Pontszerű rácshibák

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

43 Idegen atom a rácsban

44 Egydimenziós rácshibák Diszlokáció
Éldiszlokáció csavardiszlokáció

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

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

47 A diszlokációsűrűség és a szilárdság közötti összefüggés

48 Kétdimenziós rácshibák
Felület

49 Kétdimenziós rácshibák
Kristály-, krisztallithatár

50 Kétdimenziós rácshibák
Fázishatár koherens semikoherens inkoherens

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 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 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 Olvadék dermedése

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

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

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

58

59 A kristályosodást befolyásoló tényezők Idegen fajtájú csira

60 Kristályosodási formák
Poliederes dendrites szferolitos

61 A színfémek és ötvözetek termikus viselkedése
Alapfogalmak

62 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

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

65 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

66 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

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

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

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 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 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 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 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 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 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 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

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

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

84 Színfém lehűlési görbéje (allotróp átalakulás van )
.

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

86 A vas fázisainak szabadenergia görbéi
.

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

88 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. .

89 Vegyület lehűlési görbéje
.

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 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 Kétalkotós egyensúlyi diagramok szerkesztése
.

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

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 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 A fázisok mennyisége Emelőszabály
Az ötvözet fázisainak mennyiségét határozhatjuk meg vele

98 Emelőszabály Az olvadék mennyisége A szilárd fázis mennyisége

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 Fázisdiagram T2 hőmérsékletre

101 Szilárdoldat kristályosodása (Tamman 6. )

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 Szilárd oldat Diffúziós izzítás nélkül diffúziós izzítás után

104 Két szilárdoldat eutektikus rendszere (Tamman 7.)

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

106 Sn-Pb

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