VI. előadás március 11.

Átírás

1 Bevezetés s az anyagtudományba nyba VI. előadás március 11. Két t komponensű eutektikus rendszerek Eutektikum (eutektos(g)=könnyen olvadó) az a két komponensű keverék, mely jól meghatározott minimális olvadásponttal rendelkezik. Példa: 3 db 1-fázisú régió (,, ) 3 db 2-fázisú régió (+, +, +) T E : legalacsonyabb T, ahol folyadék lehet Korlátolt oldhatóság (T<T E ): : kevés Ag a Cu-ben : kevés Cu az Ag-ben Eutektikus átalakulás: hűtés (C E ) (C E ) + (C E ) fűtés T( C) Cu-Ag rendszer (folyadék) + + T C E 8.0 eutektikus izoterma solvus solidus C E liquidus eutektikus pont C E C o, m/m% Ag Atkins 197 C E VI/2

2 Az Pb-Sn eutektikus rendszer I. 150 C-on a 40 m/m% Sn-t tartalmazó ötvözetünk -- mely fázisokból áll? + -- mi a fázisok összetétele? T( C) Pb-Sn rendszer C O = 40 m/m% Sn C = 11 m/m% Sn C = 99 m/m% Sn -- mi a fázisok relatív mennyisége? S C W= - C O R+S = C - C = W = = R R+S = = C O - C C - C = = 67 m/m% = 33 m/m% 0 + (folyadék) 183 C R + S C C o C C, m/m% Sn VI/3 Az Pb-Sn eutektikus rendszer II. 220 C-on a 40 m/m% Sn-t tartalmazó ötvözetünk -- mely fázisokból áll? + -- mi a fázisok összetétele? T( C) Pb-Sn rendszer C O = 40 m/m% Sn C 300 = 17 m/m% Sn C = 46 m/m% Sn + -- mi a fázisok relatív R S mennyisége? 183 C W = C - C O = C C = 6 29 = 21 m/m% W = C O - C = 23 C - C 29 = 79 m/m% 0 (folyadék) C C o C C, m/m% Sn VI/4

3 Mikroszerkezetek eutektikus rendszerekben Pl. az Sn-Pb rendszerben 4 tartományt érdemes megvizsgálni I. II. III. 0 m/m% < c Sn < ~2 m/m% ~99 m/m% < c Sn < 100 m/m% ~2 m/m% < c Sn < 18.3 m/m% 97.8 m/m% < c Sn < ~99 m/m% c Sn = 61.9 m/m% IV m/m% < c Sn < 61.9 m/m% 61.9 m/m% < c Sn < 97.8 m/m% VI/5 Mikroszerkezetek eutektikus rendszerekben I. C o < 2 m/m% Sn A hűtés eredménye: -- szemcsékből álló polikristály azaz 1 db szilárd fázis. T( C) T E : C o m/m% Sn : C o m/m% Sn + (Pb-Sn rendszer) C o 10 2 (oldhatóság 20 o C-on) C o, m/m% Sn VI/6

4 Mikroszerkezetek eutektikus rendszerekben II. 2 m/m% Sn < C o < 18.3 m/m% Sn A hűtés eredménye: kb. 300 o C felett folyadék, majd folyadék és fázis, egyedül fázis, végül 2 szilárd fázis polikristályos apró -fázisú zárványok T( C) T E 0 2 (oldhatóság 20 o C-on) 10 + C o + 20 Pb-Sn rendszer C o, m/m% Sn C E =18.3 (oldhatóság T E -n) : C o m/m% Sn 30 : C o m/m% Sn VI/7 C o = C E A hűtés eredménye: Eutektikus mikroszerkezet és kristályok váltakozó lemezei. T( C) T E Mikroszerkezetek eutektikus rendszerekben III. I. + Pb-Sn rendszer 183 C : C o m/m% Sn : 97.8 m/m% Sn : 18.3 m/m%sn 160µm Pb-Sn eutektikum optikai mikroszkópos képe C E C, m/m% Sn VI/8

5 emezes eutektikus szerkezet Azért lemezes struktúra jön létre, mert így csak rövid távolságra kell az elemeknek diffundálnia. VI/ m/m% Sn < C o < 61.9 m/m% Sn A hűtés eredménye: kristályok és eutektikus mikroszerkezet Közvetlen T E felett: T( C) 300 Pb-Sn rendszer 200 T E Mikroszerkezetek eutektikus rendszerekben IV. + R R + : C o m/m% Sn S S + C o, m/m% Sn elsődleges eutektikus eutektikus C = 18.3 m/m% Sn C = 61.9 m/m% Sn S W= = 50 m/m% R + S W = (1-W) = 50 m/m% Közvetlen T E alatt: C = 18.3 m/m% Sn C = 97.8 m/m% Sn S W= = 73 m/m% R + S W = 27 m/m% VI/10

6 Hipoeutektikus és hiper pereutektikus szerkezetek 300 T( C) 200 T E (Pb-Sn rendszer) C o, m/m% Sn eutektikum hipoeutektikus: C o = 50 m/m% Sn 61.9 hipereutektikus: (sematikus!) 175 µm eutektikum: C o =61.9m/m% Sn 160 µm eutektikus mikro-domén VI/11 Ha az elemek vegyületet alkotnak Mg 2 Pb A vegyületek egy függőleges vonalat alkotnak (s nem területet) mivel az összetételük (sztoichiometriájuk) adott. VI/12

7 3 fázist f érintő invariáns ns átalakulások Eutektikus - folyadék van egyensúlyban két szilárd fázissal hűtés fűtés + Eutektoid - szilárd fázis van egyensúlyban két szilárd fázissal cementit S 2 S 1 +S 3 hűtés γ + e 3 C (727ºC) fűtés Peritektikus - folyadék + szilárd 1 szilárd 2 S 1 + S 2 hűtés δ + γ (1493ºC) fűtés VI/13 Eutectoid és peritektikum Peritektikus átalakulás γ + δ Cu-Zn rendszer Eutektoid átalakulás δ γ + ε VI/14

8 A fázisdiagramok f kísérleti k meghatároz rozása I. 1) Különböző összetételű olvadékok hülési görbéinek mérésével. E módszer továbbfejlesztése a differenciális termális analízis (DTA), melynél a hülési viselkedést egy alkalmasan választott referencia minta hülési jellemzőihez viszonyítva mérjük. VI/15 A fázisdiagramok f kísérleti k meghatároz rozása II. 2) A mikroszerkezet mikroszkópos megfigyelésével (polírozott minták felszínén a fázisok maratással tehetők láthatóvá, eutektikus rendszerekre működik jól) 3) Röntgen diffrakció: a különböző kristálytani orientációjú fázisok mellett a rácsállandók mérése révén kiválóan alkalmas a szilárd oldatok oldhatóságának (egyébként igen körülményes) meghatározására is. Atkins 191 VI/16

9 Hasznos linkek ázisdiagramok + sematikus mikroszerkezetek Érdekességek fázisdiagramokról, metallurgiáról VI/17 Mechanikai tulajdonságok Az anyagok mechanikai viselkedése azt tükrözi, hogy milyen típusú és mértékű alakváltozással reagálnak a külső terhelésre. ontos mechanikai jellemzők a teherbírás (szilárdság), alakíthatóság (duktilitás), a merevség és a keménység. A mechanikai tulajdonságokat befolyásoló tényezők: a terhelés természete (fajtája; eloszlása (egyenletes vagy lokális; időben állandó (sztatikus) vagy fluktuáló (dinamikus)), nagysága, időtartama, az anyag mikroszerkezete (fém, kerámia vagy műanyag; kristályos vagy polikristályos;...), külső körülmények (hőmérséklet). Mi döntően a fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságaival foglalkozunk. VI/18

10 I. Rugalmas alakváltoz ltozás 1. Kezdeti áll. 2. Kis terhelés 3. Tehermentes a kötések megnyúlnak δ Rugalmas reverzibilis! visszatér a kezdeti állapotba δ ineárisrugalmas Nemlineárisrugalmas VI/19 Képlékeny alakváltoz ltozás (fémek) 1. Kezdeti 2. Kis terhelés 3. Terheletlen a kötések megnyúlnak és a síkok elcsúsznak a síkok továbbra is elcsúszottak δ rugalmas + képlékeny δ képlékeny Képlékeny marandandó! lineáris rugalmas δ képlékeny lineáris rugalmas δ VI/20

11 A külsk lső hatás: terhelés feszülts ltségek Húzó feszültség, σ: t Nyíró feszültség, τ: t Terület, A Terület, A s σ = t a terhelés előtti keresztmetszet t N [σ]= 2 A o m τ = s A o s t A feszültség mértékegysége: N/m 2 VI/21 Egyszerű nyújtás: kábel A feszülts ltségek leggyakoribb fajtái Ao = keresztmetszet terheletlen esetben σ = A o σ σ Sílift Csavarási/torziós (a nyírás egy formája): meghajtó tengely A c M 2R M s A o τ = s A o Most: τ = M/A c R. τ VI/22

12 További alapvető feszülts ltség g típusok t 1/21 Egyszerű összenyomás: A o Viadukt, os Alamos Alátámasztott szikla, Arches Nemzeti Park σ = A o Összenyomáskor a feszültség megegyezés szerint negatív (σ < 0). VI/23 További alapvető feszülts ltség g típusok t 2/2 Kéttengelyű nyújtás: Hidrosztatikai összenyomás: Nyomás alatt levő palack σ θ > 0 σ z > 0 Hal σ < 0 h VI/24

13 Az anyag válasza: deformáci ció, alakváltoz ltozás Megnyúlás: ε = δ o w o δ/2 o Haránt összehúzódás: δ ε = w o δ /2 Nyírás(i alakváltozás): γ x γ x/y = tan γ y 90º 90º - γ A deformáció mindig dimenzió nélküli szám! VI/25 eszülts ltség-alakváltozás s mérésem Megnyúlás mérő berendezés A szokásos minta tenzométer minta mérési hossz gauge length VI/26

14 ineáris is rugalmas tulajdonságok Rugalmassági együttható vagy Young modulus, E: Hooke törvény: σ = E ε σ E ε egyszerű nyújtás igyelem: tengelyek! VI/27 Mikroszkópikus magyarázat A rugalmassági együttható a fémes kötés erősségétől függ E d dr r= r 0 VI/28

15 Poisson szám, ν Poisson szám, ν: a kereszt-, illetve hosszirányú relatív alakváltozások hányadosának -1- szerese ε ν = ε elméleti értéke fémek: ν ~ 0.33 kerámiák: ν ~ 0.25 műanyagok: ν ~ 0.40 Mértékegységek: [E] = GPa ν: mértékegység nélküli Ha ε - ν ν > 0.50 a sűrűség nő ν < 0.50 a sűrűség csökken ε VI/29 További rugalmas tulajdonságok Rugalmas nyírási modulus, G: τ = G γ τ G γ M egyszerű torzió Térfogati rugalmassági modulus, K: P = -K V Vo Izotróp anyagokra: G = E 2(1 + ν) K = P K E 3(1 2ν) V Vo P M P P (térfogati) összenyomás V o =kiind. térf. V= térf. változás Egy kocka deformációjára mutassa meg az összefüggések érvényességét! VI/30

16 Young modulus: összehasonlítás E [GPa] giga (G) = Grafit émek Kerámiák Műanyagok Kompozitok Ötvözetek élvezetők Tungsten Molybdenum Steel, Ni Tantalum Platinum Cu alloys Zinc, Ti Silver, Gold Aluminum Magnesium, Tin Diamond Si carbide Al oxide Si nitride <111> Si crystal <100> Glass -soda Concrete Graphite Polyester PET PS PC PP HDPE PTE DPE Carbon fibers only CRE( fibers)* Aramid fibers only ARE( fibers)* Glass fibers only GRE( fibers)* GRE* CRE* GRE( fibers)* CRE( fibers) * ARE( fibers) * Epoxy only Wood( grain) VI/31 Egyszerű nyújtás: Ao Néhány hasznos összefüggés δ = o EA o δ = ν w o EA o δ/2 Egyszerű torzió: = 2M o πr o 4 G M = forgatónyomaték = szögelfordulás w o o o δ /2 2r o Az anyag, a geometria és a terhelés paraméterei egyaránt befolyásolják a deformációt. A nagyobb rugalmas állandó kisebb rugalmas deformációt jelent. VI/32