Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

Átírás

1 Anyagtudomány és Technológia Tanszék Fémek és ötvözetek termikus viselkedése Dr. Szabó Péter János Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat BMEGEMTBGA1 2018/2019/2

2 Az előadás során megismerjük Az ötvözetek szerkezetét Az állapotábrák termodinamikai alapjait Az alapvető állapotábrákat és kezelésüket 2

3 Ötvözetek Ötvözés célja: olyan meghatározott fizikai, kémiai, mechanikai vagy egyéb tulajdonságok biztosítása, amely egykomponensű anyagokkal nem érhető el Fémes ötvözetek: alkotói (de legalább az egyik) fém 3

4 Ötvözetek Alumínium: jó vezető, de lágy Aranygyűrű: ezüsttel, rézzel ötvözik Negatív-pozitív TK (Cu-Ni) Szilícium: elektromos tulajdonságai tág határok között változnak már minimális ötvözés hatására is Ötvözeteket alkotó alapanyagok a komponensek 4

5 Ötvözetek előállítása olvadékállapotban Olvadék-állapotban a legtöbb fém korlátlanul oldja egymást Kivétel: pl. Al-Pb Akadály: ha az alkotók olvadáspontja jelentősen eltér, pl. Fe (1536 C) és W (3410 C) 5

6 Ötvözetek előállítása porkohászati úton Nagy olvadáspontú alkotók esetén (pl. WC, TiC, NbC stb.) Poruk keverékéből sajtolással állítják elő az alkatrészt, majd nagy, de az alkotók olvadáspontjánál kisebb hőmérsékleten izzítják szinterelés (porszemcsék közötti diffúziós folyamatok) HIP Hot Isostatic Pressure 6

7 Szinterelés Probléma: zsugorodás, porozitás 7

8 Ötvözetek előállítása felületi ötvözéssel Reaktív gázközegben történő izzítás Felületi karbontartalom növelése cementálás Felületi nitrogéntartalom növelése nitridálás Cél: kopásállóbb, keményebb felületek létrehozása 8

9 Ötvözetek előállítása felületi ötvözéssel Lézersugaras felületötvözés Lézersugárral lokálisan megolvasztjuk a felszínt Fúvókákkal az ötvözőt por alakban belefújjuk a megolvadt foltba Fúvási sebesség, por összetételének szerepe Hővezetés szerepe 9

10 Az alkotóelemek kapcsolata az ötvözetekben Az alkotók oldják egymást szilárd oldat Az alkotók egymással kémiai reakcióba lépnek (intermetallikus) vegyületek Az alkotók apró kristályok elegyévé dermednek eutektikum, eutektoid 10

11 Szilárd oldat Szilárd oldat: Olyan ötvözet, amelyben az ötvöző atomok beépülnek az alapfém rácsába, és az így létrejött szerkezet kristályrácsa az oldó anyagéval azonos. Típusai: szubsztitúciós és intersztíciós szilárd oldat. Korlátlan szubsztitúciós szilárd oldás feltételei: 1. Azonos kristályrács (típus); 2. Közel azonos atomátmérő (eltérés max. 14 %); 3. Az elektronaffinitási sorban ne álljanak túl messze egymástól, mert akkor ionvegyület jön létre; 4. Az oldó (A) és oldott (B) atom vegyértékelektronjainak száma azonos. Vegard-szabály: a ö a 1 A C a C a C a a B B B A B B A 11

12 Szubsztitúciós szilárd oldatok Tulajdonság köbös 1:1 köbös 3:1 Korlátlan szilárd oldat Statisztikailag rendezetlen szilárd oldat Rendezett rácsú szilárd oldat hexagonális 12:7 Rendezett rácsú összetétel Összetétel 12

13 Korlátozott oldódás Csak bizonyos mértékben oldják egymást Pl. Cu-Zn: max. 35 at% Zn 13

14 Intersztíciós szilárd oldat Az oldott elemek kis atomátmérőjűek (H,O,N,C,B), és a rácsok hézagaiban helyezkednek el. Az Fe-C szilárd oldat az egyik legjellemzőbb példa. Fe C A valóságos rácsban a C-atom előfordulása jóval kevesebb mint a lehetséges helyek száma. 14

15 Intermetallikus vegyületek Nem áll fenn a szilárd oldat képződésének lehetősége. Az intermetallikus fázisok összetétele megfelel egy meghatározott A m B n atomaránynak, de előfordul, hogy oldják az alkotóikat. Rácsuk az alkotók rácsától független szerkezetű. Kristályosodásuk állandó hőmérsékleten történik. Ionvegyületek Erősen fémes természetű elemek (Na, Ca) alkotnak vegyületet nemfémes elemekkel (Cl, F). Ionos kötés tartja össze a rácsot. NaCl CsCl 15

16 Egyéb vegyületek Elektron-vegyületek Nagyobb olvadáspontú fémek (Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni) olyan vegyületeket képeznek kisebb olvadáspontú fémekkel (Cd, Al, Sn Zn, Be), amelyeknél a kötésben részt vevő elemek atomjainak és vegyértékelektronjainak aránya egyszerű egész számokkal kifejezhető Az elektronvegyületeket a görög abc betűivel jelölik: (A/n e ). : A/n e =2/3, : A/n e =4/7, : A/ne=13/21, CuZn CuZn 3 Cu 5 Zn 8 Intersztíciós fémes vegyületek Nagy olvadáspontú fémek (Fe, Cr) alkotják kis atomsugarú metalloidokkal (N, C). r met /r fém =0,55...0,66 Jellemző a nagy keménység és kopásállóság. A Fe és C intersztíciós szilárd oldatot és intersztíciós fémes vegyületet alkot (Fe 3 C). 16

17 Eutektikum, eutektoid Ha az alkotók egymással sem szilárd oldatot, sem fémes vegyületet nem alkotnak, akkor az ilyen ötvözet a két alkotó kristályainak az elegyévé dermed. Folyadékból megdermedt heterogén szerkezet neve eutektikum, míg a szilárd állapotban keletkező hasonló szerkezet neve eutektoid. Heterogén kétfázisú szerkezetet alkotnak. A kristályosodástól függően lemezes, vagy szemcsés szerkezetűek lehetnek. Hasonlóan a színfémekhez, állandó hőmérsékleten dermednek meg. Fe-C eutektoid Pb-Sn eutektikum 17

18 Eutektikum keletkezése olvadékból 18

19 Kétalkotós állapotábrák Állapotábra: a koncentráció és a hőmérséklet függvényében mutatja meg az ötvözetegyensúlyi fázisait. A gyakorlatban: 2 és 3 alkotós állapotábrák. Lehetséges kétalkotós állapotábrák száma N n n! nn1 2 n 2!2! 2 n = 90 alkotó esetén N = 4005, és n = 50 esetén is 1225 állapotábra lehetséges. 19

20 Állapotábra használata 1. Ha adott a hőmérséklet (T) és a koncentráció (C), meghatározható a fázisok száma és minősége. Példák: A(1100,60): 1 fázis: a B(1250,35): 2 fázis: f + a T( C) Cu f (folyadék) B(1250,35) a (f.k.k szilárd oldat) A(1100,60) tömeg % Ni 20

21 Állapotábra használata 2. Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentrációjánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok koncentrációja. C o = 35% Ni T A - nál csak folyékony oldat C f =C o =35%Ni T D -nél csak a szilárd oldat C a =C o =35% Ni T B -nél két fázis (a+f) C f =C likvidusz =32% Ni C a =C szolidusz =43%Ni T( C) T A 1300 T B 1200 T D 20 Cu-Ni rendszer A f (folyadék) B D karok a C f Co C a tömeg % Ni 21

22 Állapotábra használata Fázisok: szilárd oldat (G sz ), folyékony oldat (G f ) Kétfázisú tartományban az ötvözet szabadentalpiája, ha x a szilárd fázis mennyisége, 1-x a folyadék mennyisége: ya xb b a y x b a b x 1 y b a a x C C b C C a C C C C G G G G C C C C x x 1 C x C C x G G G x 1 G x G G ö sz f ö f sz f ö f sz f ö f sz f ö f sz ö f sz f f sz ö,

23 Állapotábra használata 3. Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentrációjánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok mennyisége C o = 35% Ni T A nál csak folyadék 100 % folyadék, 0% a T D -nél csak a szilárd oldat 100 % a, 0% folyadék T B -nél két fázis a+folyadék x a y a % a b b a b foly. 73% T( C) T A 1300 T B 1200 T D 20 Cu-Ni rendszer f (folyadék) A B a b D karok a c f co c a tömeg % Ni 23

24 Állapotábra használata 4. T F=2 F=1 F=1, SZ=2 SZ=1 SZ=2 t T( C) f (folyadék) a (szilárd) A E tömeg % Ni C o f: 35% Ni f: 35% : Ni B a :46% Ni C D a: 35% Ni : Cu-Ni rendszer f: 32% Ni a: 43% Ni f: 24% Ni a: 36% Ni 24

25 Állapotábra korlátlan oldhatósággal folyékony és szilárd állapotban T Fázisok: folyadék, szilárd folyadék F+SZ=K+1 y b szolidusz a x likvidusz szilárd A C sz C ö xa y b xy1 Emelőkar szabály C f B t x-folyadék mennyisége, egységnyi tömegű anyagban y=1-x- szilárd fázis mennyisége az egységnyi tömegű anyagban 25

26 Állapotábra korlátlan oldhatósággal folyékony és szilárd állapotban A likvidusz és a szolidusz a teljes koncentrációs tartományban görbe, ezért folyékony és szilárd állapotban egyaránt korlátlanul oldja egymást a két alkotó (izomorf rendszer). Cu-Ni rendszer 26

27 Inhomogén és egyensúlyi fázisok C a változik a dermedés során. Cu-Ni rendszer: Az első megszilárdult a C a = 46% Ni Az utolsó megszilárdult a C a = 35% Ni Nagy hűlési sebesség, inhomogén szerkezet Kis hűlési sebesség, egyensúlyi szerkezet a: 46% Ni Egyenletes eloszlás a: 35% Ni 35% Ni mikrodúsulás 27

28 Eutektikus állapotábra Fázisok: folyadék,a, F+SZ=K+1 szolvusz A folyadék α+f. f.+β α β α+β folyadék C e a állandó hőmérsékleten Eutektikus reakció T F=1, SZ=2 F=3, SZ=0 F=2, SZ=1 t B 28

29 Az állapotábra jellemzői A két alkotó folyékony állapotban korlátlanul oldja egymást, a likvidusz görbe szakaszokat tartalmaz. A két alkotó szilárd állapotban korlátolt oldódású fázisokat (a, ) alkot, a szolidusz két görbe és egy egyenes szakaszból áll. Az egyenes szakaszú tartományban nincs oldódás és az a, fázisok elegyéből álló eutektikum keletkezik. 29

30 Peritektikus állapotábra a Fázisok: a,, folyadék T F=1, SZ=2 α a+f... foly. +f F=2, SZ=1 F=3, SZ=0 a+ β F=1, SZ=2 A c p B a foly. Peritektikus reakció t 30

31 Az állapotábra jellemzői A két alkotó folyékony állapotban korlátlanul oldja egymást. Szilárd állapotban a két alkotó korlátolt szilárd oldatot alkot (a,). Meghatározott összetételnél peritektikus reakció játszódik le. A szilárd oldatok oldóképessége a hőmérséklettel változik. 31

32 Állapotábra intermetallikus vegyülettel T f+a m B n T a foly. a+f f+a m B n foly. +f F=1, Sz=2 F=2 Sz=1 F=3, Sz=0 a+a m B n +A m B n F=2, Sz=1 A koncentráció A m B n B t 32

33 Az állapotábra jellemzői A két alkotó folyékony állapotban korlátlanul oldja egymást. A folyadékból három szilárd fázis kristályosodik (a, A m B n ) A két alkotó egy jelentős koncentráció tartományban nem oldja egymást. Meghatározott koncentrációnál A m B n fémes vegyület keletkezik. Az ötvözetrendszerben két eltérő összetételű eutektikum is keletkezik. 33

34 Kétalkotós állapotábrák törvényszerűségei Folyékony állapotban Az oldhatóságra a likvidusz alakja a jellemző. Korlátlan oldás : teljes tartományban a likvidusz görbe alakú. Korlátolt oldás : a likvidusznak egyenes szakaszai is vannak. A folyadékból kristályosodó fázisok száma: a likvidusz görbe ágainak a száma. Szilárd állapotban Az oldhatóságra a szolidusz alakja a jellemző. Korlátlan oldás: teljes tartományban a szolidusz görbe alakú. Korlátolt oldás: a szolidusznak egyenes szakaszai is vannak. Szilárd oldatok száma : a szolidusz görbe ágainak a száma. 34

35 Kétalkotós állapotábrák törvényszerűségei Az egyensúlyi diagramban bármely irányban vonalat metszve, a fázisok száma eggyel változik. Fémes vegyület függőleges egyenese végtelen kis koncentrációközű (c 0) egyfázisú homogén mezőt jelent. Három fázisú reakciók vízszintes egyenese kis hőfokközű (T 0) heterogén mezőt jelent. 35

36 Fogalmak Szilárd oldat Emelőkar szabály Szubsztitúciós szilárd oldat Korlátlan oldhatóság Intersztíciós szilárd oldat Korlátolt oldhatóság Vegard-szabály Eutektikus reakció Rendezett rácsú szilárd oldat Eutektoidos reakció Intermetallikus vegyület Peritektikus reakció Ionvegyület Peritektoidos reakció Elektronvegyület Szolidusz görbe Intersztíciós vegyület Likvidusz görbe Eutektikum Eutektoid 36

37 Angol nyelvű irodalom William D. Callister, Jr. Materials Science and Engineering An Introduction, 7th edition, 2006 Chapter 9 Phase diagrams pp. 37