1

Fémtan, anyagvizsgálat1

2

Az anyag

Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja

olyanná, ami az igényeknek leginkább megfelel.

3

Az anyagok szerkezete

• Amorf

• kristályos

• részben kristályos

4

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

rendelkeznek

5

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

6

Kompozitok

• Az előző csoportok felhasználásával szemcséstekercselt, laminált, szálerősített,

tervezett felépítésű anyagok. • Tulajdonságaik jelentősen függnek az alkotók

tulajdonságaitól, és a kompozit szerkezetétől.

7

Kötésfajták

• Elsődleges vagy primér kötés– ionos– kovalens– fémes

• Másodlagos, gyenge– molekulaközi Van der Waals– hidrogénkötés

8

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 )

9

Elsődleges vagy primer kötésA 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.

10

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

11

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.

12

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.

13

Köbös vagy szabályos rendszer

• Egyszerű vagy primitív (Po)

• Térközepes

• Lapközepes

• gyémántrács

14

Térközepes köbös rácsszerkezet

15

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.

ar43

16

Lapközepes köbös rácsszerkezet

17

Lapközepes köbös

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

18

Gyémántrács

minden C atom között kovalens kapcsolat van.

19

Hexagonális rácsszerkezet

20

Hexagonális rendszer

• Egyszerű pl. grafit

• szoros illeszkedésű pl. Be, Zn, Mg, Cd és a Ti egyik módosulata

21

KristályosodásA 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.

22

Fémkristályok, krisztallitok

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

• Ezek a krisztallitok

23

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.

24

Olvadék dermedése

25

KristályosodásA 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,:.

26

Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor?

Lassú hűtés

• (pl. homokforma) a csiraképződés kicsi, a növekedés sebessége nagy.

• Az eredmény durva szemcseszerkezet

27

Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor?

Gyors hűtés

• (pl. fémforma, kokilla) a csiraképződés nagy, a növekedés sebessége nagy.

• Az eredmény finom szemcseszerkezet

28

29

A kristályosodást befolyásoló tényezők

Idegen fajtájú csira

30

Kristályosodási formák

• Poliederes

• dendrites

• szferolitos

31

Diffúzió

A fémekben lejátszódó diffúzió alatt az atomoknak a szilárd fémben való mozgását értjük, mely koncentráció változást idéz elő.

Hajtóerő a koncentráció ill. a szabadenergia különbség

32

A színfémek és ötvözetek termikus viselkedése

Alapfogalmak

33

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

34

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)

35

Szilárd oldat

szubsztitúciós az alapfém atomját helyettesíti

intersztíciós az alapfém atomjai közé beékelődik

36

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)

37

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

38

Az ötvözet alkotó nem oldják egymást

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

39

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

40

Színfém lehűlési görbéje(nincs allotróp átalakulás)

Egyszerűsített lehülési görbe

.

.

41

Színfém lehűlési görbéje(allotróp átalakulás van )

.

.

42

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

Dermedési hőköz

43

Vegyület lehűlési görbéjeA 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.

.

44

Vegyület lehűlési görbéje

.

.

45

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.

46

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.

47

Kétalkotós egyensúlyi diagramokszerkesztése

.

.

48

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

49

Az egyensúlyi diagramok

értelmezése A kijelölt ötvözet T1 – homogén olvadék

T2 -heterogén

T3 -homogén, szilárdoldat

50

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.

51

A fázisok összetételeKoncentráció 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.

.

52

A fázisok mennyiségeEmelőszabály

Az ötvözet fázisainak mennyiségét határozhatjuk meg vele

53

Emelőszabály

• Az olvadék mennyisége

• A szilárd fázis mennyisége

dc

cx

dc

dx

1

54

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.

55

FázisdiagramT2 hőmérsékletre

56

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.

57

Szilárd oldat

Diffúziós izzítás nélkül diffúziós izzítás után

58

Két szilárdoldat eutektikus rendszere

(Tamman 7.)

59

Eutektikum képződés

Az eutektikum két likvidusz metszéspontjának megfelelő összetételnél képződik, állandó hőmérsékleten. Általános egyenlete:

olvadék szilárd 1 + szilárd 2

60

Sn-Pb