Különleges anyagok. Fémek tulajdonságait meghatározó tényezők. Az előadás során szó lesz

Átírás

1 Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2014/15 Különleges anyagok Dr. Szabó Péter János Az előadás során szó lesz a szemcsehatárok szerepéről a polikristályos anyagok károsodásában az alakemlékező ötvözetekről az üvegfémekről a korrózióról Fémek tulajdonságait meghatározó tényezők Kémiai összetétel Fázisok jellege (szilárd oldat, vegyület,...) Szemcseméret Szemcseméret-eloszlás Diszlokáció-szerkezet... Szemcsehatárok tulajdonságai 1

2 Véletlenszerű Szemcsehatárok Speciális CSL-modell (Coincide Site Lattice) CSL-határok 2

3 Szemcsehatár-energia Határfelületi energia, erg/cm 2 Elforgatás szöge Döntött határ esetén, a forgatás tengelye az <100> ill. az <110> A szemcsehatár-energia szerepe Speciális szemcsehatárok energiája kisebb Ezek mentén a szemcsehatáron támadó károsodási folyamatok (korrózió, szemcsehatár-menti repedés, kúszás) lelassulnak vagy elhalnak Cél: a speciális szemcsehatárok mennyiségének (ill. arányának) növelése Termomechanikus kezelés hatása a speciális határok mennyiségére Kezeletlen Kezelt 3

4 Kúszási alakváltozás, % Példa Idő, óra A károsodási folyamat lassítása Triple junctions (hármaspontok) vizsgálata 1 CSL 2 CSL A károsodási folyamat lassítása 4

5 Alakemlékező ötvözetek Adott anyagnak hideg állapotban alakot adunk (pl. egy szalagot gyűrűvé hajtunk). Ezt követően felmelegítjük egy adott hőmérsékletre. Az anyag visszaveszi eredeti alakját (a gyűrű ismét szalaggá egyenesedik ki). Legismertebb alakemlékező anyag: NiTiNol Egyutas alakemlékezés Kétutas alakemlékezés 5

6 60 m m 800 T( C ) 600 Martenzites átalakulás Kezdeti homogén fázisból ( ) az átalakulás során homogén fázis (m) keletkezik, csíraképződés nélkül. Nagy lehűlési sebesség esetén jön létre. Diffúzió nélküli átalakulás, a másodperc törtrésze alatt megy végbe. Ausztenit (stabil) A P A A M s Martenzit 0.5 mennyisége B s % M 50% M 90% M Martenzit tűk Ausztenit Bain modell -12% z z m rácsparaméter a c m x m x +20% +20% Az ausztenit f.k.k rácsa tartalmazza a martenzit tetragonális rácsát (kék cella), és meghatározott kristálytani kapcsolat áll fenn a két rács között , , y m m m m y a m szén % Újdonság Marteniztes átalakulás nem csak hirtelen hűtés, hanem képlékeny alakítás hatására is bekövetkezhet. A keletkezett martenzit orientációja és az alakváltozást okozó feszültség iránya között egyértelmű összefüggés van. Nagy mennyiségű, hasonlóan orientált martenzit keletkezik. 6

7 Különbségek Acél átalakulása: (nincs alakemlékezés) nagyobb térfogatváltozás képlékeny alakváltozás az új fázis körül kisebb rugalmas energiafelhalmozódás nagyobb látens-hő felszabadulás NiTiNol átalakulása: (van alakemlékezés) kisebb térfogatváltozás nincs képlékeny alakváltozás az új fázis körül nagyobb rugalmas energia-tárolás kisebb látens-hő felszabadulás Alakemlékezés mechanizmusa A hevítés során a tárolt rugalmas energia hatására beindul a fázisátalakulás. A martenzit visszaalakul a kiindulási fázissá. Mindez a minta alakjának változásával jár. Mivel a kiindulási és a martenzitfázis között meghatározott orientációs kapcsolat van, a minta az eredeti alakját veszi fel ismét. Alakemlékező ötvözetek NiTiNol (Ni-Ti ötvözet) Au-Cd, Ag-Cd ötvözetek Ti-Nb ötvözet Ni-Al ötvözet Fe-Pt ötvözet 7

8 Alkalmazások megnyújtott gyűrű kör keresztmetszetű gyűrű hideg meleg Alkalmazások Orvostechnika: el nem érhető helyeken lévő csontok összekötése Koszorúér-sztentek Intelligens szemüvegkeret Adaptív repülőgép-szárny Alkalmazások A hőmérsékletet Joule-hővel változtatják. 8

9 Fémüvegek Rövid távú rend: folyadékok Hosszú távú rend: kristályok Gyors hűtés: a rövid távú rend befagyasztható Mechanikai tulajdonságok Kis ellenállás a nyíróerőkkel szemben. Nagy keménység. Sokkal képlékenyebbek az üvegnél. Szakítószilárdságuk MPa (az üvegé elvileg 2500 MPa, de hibák, üregek miatt csak kb. 25 MPa). Jól hengerelhetők. Mágneses tulajdonságok Kiváló lágymágnesek (nincsenek szemcsehatárok és diszlokációk, így a doménfalak könnyen tudnak mozogni). 9

10 Előállítás Olvadék állapotból gyors hűtéssel (10 5 ºC/s). Hűtött forgó ikerhengerek közötti átfolyatással. Felhasználás transzformátorok motorok, generátorok toroidok fluxusmérők mágneses jelrögzítő fejek Lézeres felületkezelés Lézer LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Nagy energiasűrűségű, koherens, párhuzamos elektromágneses sugárzás. Lézeres felületkezelés alapfeltétele az abszorpció (pl. alumínium acél). 10

11 Alkalmazások Felülettisztítás (a szennyező és az alapanyag hőtágulási együtthatója jelentős mértékben eltér). Gravírozás Lézeres felületedzés Felületi átolvasztás Felületi ötvözés Korrózió IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) A korrózió valamely anyagnak (fémnek, kerámiának, polimernek) a környezetével való irreverzibilis határfelületi reakciója (kölcsönhatása), melynek eredményeképpen vagy az anyag fogy el fokozatosan, vagy a környezet valamely alkotórésze épül be az anyagba. MSZ EN ISO 8044:2003 A korrózió a fém és környezete közötti fizikai-kémiai kölcsönhatás, amelynek következtében a fém tulajdonságai megváltoznak, és gyakran bekövetkezik a fém, a környezet, illetve az ezekből álló műszaki rendszer funkcionális jellemzőinek a romlása. A szerkezeti anyag és a környezet közötti kölcsönhatás szerint megkülönböztetünk: elektrokémiai és kémiai korróziót. A korrózió alaptípusai Elektrokémiai korrózió Kémiai korrózió Mindkét esetben egy anódós oxidáció és egy katódos redukció történik: elektrokémiai korróziónál térben elkülönülten kémiai korróziónál egy helyen 11

12 Elektrokémiai korrózió Elektrokémiai korrózió játszódik le, amikor a fém egy ion-vezető közeggel, általában vizes elektrolittal kerül kapcsolatba, melyben a fémionok oldódni képesek. Az alapfolyamat minden esetben legalább egy anódos oxidáció és egy katódos redukció. Katódos redukció: -hidrogénionok töltésvesztése 2H + +2e - H 2 -vízbontás 2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 -vízben oldott oxigén redukciója, amely: savas közegben (ph 7) O 2 +4H + + 4e - =2H 2 O semleges és lúgos közegben (ph 7) O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - Anódos oxidáció: Me Me e - Elektrokémiai korrózió Az oxidációs és redukciós folyamat térben elválasztva, egymástól bizonyos távolságban játszódik le, helyi galváncella létrehozásával. Standardpotenciál Ha egy fém a saját ionjait tartalmazó oldatba merül, akkor a fémből fémionok lépnek az oldatba, és az oldatból színfém válik ki, egyensúlyi mennyiségben. A fém felülete és az oldat között elektromos potenciálkülönbség jön létre. Ezt a potenciálkülönbséget a hidrogénelektródhoz képest adják meg, ez a normál- vagy standardpotenciál. Azok a fémek, amelyek több iont bocsátanak vizes oldatba, mint a hidrogén, könnyebben oldódnak, és a hidrogénhez képest negatívabb potenciál lesz a felületükön. Ezeknek negatív a standardpotenciáljuk. Azok a fémek, amelyek kevesebb iont bocsátanak vizes oldatba, mint a hidrogén, nehezebben oldódnak, és a hidrogénhez képest pozitívabb potenciál lesz a felületükön. Ezeknek pozitív a standardpotenciáljuk. 12

13 Standardpotenciál sor Fémek standardpotenciálja 25 C-on meghatározva normál hidrogénelektródával szemben Anód, katód A standardpotenciál sor lehetővé teszi, hogy termodinamikai szempontból megállapítsuk egy elektrokémiai rendszer esetében az elektródfolyamatok irányát és a rendszer korróziós potenciálját. Cu Cu e E 0 = +0,377 V Zn Zn e E 0 = 0,763 V Elektrokémiai reakció esetén (két fém érintkezésekor) a nagyobb elektródpotenciállal rendelkező fém redukálódni, az alacsonyabb potenciállal rendelkező pedig oxidálódni fog (oldatba megy, vagyis korrodálódik). Zn Zn e OXIDÁCIÓ, ANÓD Cu e Cu REDUKCIÓ, KATÓD Elektrokémiai korrózió I Galváncella: Zn Zn e Cu e Cu 13

14 A galváncella elektromotoros ereje E Zn = - 0,763 V E Cu = + 0,337 V E cella = E Cu E Zn = 0,337V (-0,763V) = 1,1 V Minél nagyobb a cella elektromotoros ereje, annál gyorsabban megy végbe az oxidációs/redukciós folyamat. Elektrokémiai korrózió során tehát a fém felületén egy galváncella jön létre. Kémiai korrózió A kémiai korrózió a fémek és ötvözetek felületén lejátszódó olyan folyamat, ahol a fém oxidációja és a korróziós közeg oxidáló komponensének redukciója egy lépésben, egy helyen megy végbe. zme + x/2o 2 Me z O x Kémiai korrózió A kémiai korrózióval szemben a különböző ötvözetek érzékenységét, ill. ellenállását a szabadenergia-különbségen kívül elsősorban az szabja meg, hogy a keletkezett vegyület (korróziótermék) képes-e olyan összefüggő, tömör réteget képezni a határfelületen, amely a fémet a külső korrodáló közegtől mintegy elválasztva, csökkenti az eredő korróziós sebességet. Ilyen esetekben a károsodási folyamat előrehaladását a kémiai reakcióban részt vevő elemek korróziós rétegbeni diffúziós sebessége irányítja. Az először keletkezett reakciótermékek a változó környezeti feltételek (pl. hőmérséklet-ingadozás) hatására összetételükben és szerkezetükben is megváltozhatnak. Így keletkezik például az acélok revéjének réteges szerkezete. 14

15 A korrózió megjelenési formái Elektrokémiai korrózió Egyenletes korrózió Kettősfém-korrózió Réskorrózió Lyukkorrózió Kristályközi korrózió Szelektív korrózió Mechanikai igénybevétellel párosuló korrózió (eróziós, ütközési és kavitációs korrózió, berágódásos, vagy tribológiai korrózió) Feszültségkorrózió (beleértve a korróziós kifáradást) Kémiai korrózió Nagy hőmérsékletű korrózió, Sóolvadékban lejátszódó korrózió Folyékony fémekben bekövetkező korrózió Egyenletes korrózió Az anódos és katódos részreakciók a felületen vándorló anódos és katódos jellegű területeken váltakozva mennek végbe egyenletes fogyás Egyenletes korrózió Rozsdával szennyezett acél (helyi galváncella) 15

16 Lokális korrózió Az anódos és katódos reakciók létrejöttének valószínűsége nem azonos a felület minden pontján. Kettősfém korrózió helyi galváncella nemesebb fém alapfém Kettősfém-korrózió A rács ötvözetlen acélból, a cső korrózióálló acélból készült A csövön lévő pittingek Cl - hatására jöttek létre 16

17 Réskorrózió anódreakció: M M + + e - katódreakció: O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - A résben lecsökken az oxigénkoncentráció, így a pozitív töltéstöbbletet a jelenlévő Cl - ionok kompenzálják. M + Cl - + H 2 O MOH + H + Cl - Sósav keletkezik, amely további korróziót generál. Kristályközi korrózió Kristályközi korrózió A krisztallithatáron lévő, a kristályosodás utolsó részfolyamatában megdermedt, kis olvadáspontú, nagy rácshiba-sűrűségű, a krisztallit anyagánál legtöbbször elektropozitívabb szennyeződés (pl. króm-karbid) sok esetben hajlamos elektrokémiai oldódásra, miközben a krisztallitok közötti szilárdtest kapcsolat lényegében megszűnik Erősen hajlamosak a kristályközi korrózióra a ferrites és ausztenites rozsdamentes acélok Védekezés: meg kell akadályozni a karbon szemcsehatár-menti kiválását, pl. Ta, Ti vagy Nb stabilizátorokkal 17

18 Feszültségkorrózió Feszültségkorróziós repedések hegesztési varrat környezetében Szénacél, 15 év üzemi idő, gáztalanító A feszültségkorrózió kialakulásának feltételei a szerkezeti anyag hajlamossága a korróziós közeg, amely ezt a fajta korróziót képes kiváltani elegendő nagyságú mechanikai húzófeszültség jelenléte elegendő idő (az inkubációs idő akár több hónap is lehet) Feszültségkorrózió Szénacél lúg hatására bekövetkező szemcsehatármenti korróziója 18

19 Feszültségkorrózió Interkriasztallin repedésterjedés Transzkriasztallin repedésterjedés Nagy hőmérsékletű korrózió Hidrogén hatására bekövetkező, nagy hőmérsékletű korrózió Perlit kiválás és mikrorepedések a szövetszerkezetben (szénacél) 19