Készítette: Sándor Gyula Kaposvár 2006

Átírás

1 Készítette: Sándor Gyula Kaposvár 2006

2 Tartalom Atom Molekula Szilárd testek Elemi cella Rácshibák Színfémek Fém ötvözetek Vas szén ötvözetek Izotermikus átalakulás

3 Az atom a kémiai elemek legkisebb része, amely még rendelkezik az elemek tulajdonságaival. Az atom felépítése: Kifelé semleges, az atommagból és a körülötte keringő negatív töltésű elektronokból áll. Az atommag a pozitív töltésű protonokból, valamint a semleges töltésű neutronokból tevődik össze. A rendszám Z, azonos az elem protonszámával, de mivel az atom kifelé semleges, így az elektronok számával is. A tömegszám A, a protonok és neutronok összege, A = Z+N.

4 Vas - és szénatom Fe Ø 2,876 A Ø 1,54 A 0 C Fe ++ Ø 1,66 A 0 1 A 0 = 10-7 mm Ø 0,4 A 0 C ++++ Atomsúly: 56, elektron szám: 26 Atomsúly: 12, elektron szám: 6 Atommag: 26 proton és 30 neutron Atommag: 6 proton és 6 neutron Elektron: 9, gr, proton: 1, gr, neutron: 1, gr Külső héj leadása, vas ion (Fe ++ ) Külső héj leadása, szén ion (C ++++ )

5 Az atomok által létrehozott vegyületek legkisebb része, amely még rendelkezik a vegyület tulajdonságaival. Két, vagy több atom között kialakult kötés eredménye. Az atomok és molekulák a nyomástól és hőmérséklettől függően három állapotban fordulhatnak elő: Rendezetlen állapot (gáz): amelyben sem rövid, sem hosszú távon rendezettség nem tapasztalható, az alak és a térfogat változó.

6 Rövid távú rendezettség állapota (folyékony): amelyben néhány atomnyi, vagy molekulányi távolságban rendezettség tapasztalható, az alak változó míg a térfogat változatlan. Hosszú távú rendezettség állapota (szilárd): amelyben az atomok, vagy molekulák nagy távolságon szabályos rendben helyezkednek el, az alak és a térfogat változatlan. Az energia állapota alacsonyabb.

7 A szilárd testek két nagy csoportba sorolhatók az amorf és a kristályos szerkezetűek közé. Amorf: a rövid távú rendezettségű, nagy viszkozitású folyadékok, határozott olvadásponttal. Fizikai és kémiai tulajdonságaik iránytól függetlenek ezért izotrópok. (üveg, kátrány, viasz) Kristályos: az atomok szabályos rácspontokban helyezkednek el, a köztük kialakuló összetartó kötések alapján megkülönböztetünk elsődleges kötésű és másodlagos kötésű kristályos anyagokat. Elsődleges kötések nagy energiájú, erős: ionos, kovalens, fémes Másodlagos kötés kis energiájú, gyenge: Van der Waals erők, mágneses dipólus (műanyagok). Kötések összefoglalása

8 Ionos kötés NaCl Na F C Na + Cl - Cl Fémes és nemfémes anyagok között jön létre úgy, hogy az egyik atom könnyen leadja az elektront, míg a másik könnyen felveszi, így (+) és ( ) ionok jönnek létre. (NaCl, MgO) Az ionrácsot a Coulomb erők (F C ) tartják össze. Az elektromos áramot és a hőt gyengén vezetik, hőre és alakításra nő a vezetőképesség. Rideg viselkedés, bizonyos síkokban hasíthatók.

9 Kovalens kötés Cl 2 Cl Cl Egymás melletti vagy egymáshoz közeli elemek között jön létre (H 2 O, Cl 2 ) A telített közös külső héj úgy jön létre, hogy mindkét atom ugyanannyi elektront ad a közös pályára így molekulát alkotnak Irányított erős kötés, nem alakíthatók, szigetelők illetve félvezetők lehetnek.

10 ha egy elektront adnak be egy molekula jön létre (Cl2, H2) ha két - két szomszédjukkal kapcsolódva érik el a telítettséget lánc vagy gyűrű molekulát alkotnak (S; Se; láncpolimerek) ha három szomszédjával kapcsolódva érik el a telítettséget, akkor az atomok síkot hoznak létre, az ilyen anyag könnyen hasítható (Bi) a metalloidoknál négy szomszédos atomhoz kapcsolódik, így térbeli kristályrács alakul ki, igen erős irányított kötés (C; Si; Ge)

11 Fémes kötés Olyan atomok között jön létre, amelyek le tudnak adni egy elektront a közös elektronfelhőbe, míg pozitív fémionjaik hosszútávon térbeli rácsrendszerbe rendeződnek. Iránytól független, pozitív fémionokból és a közöttük mozgó elektron felhőből áll. Mivel a kötésük nem irányított így képlékenyen alakíthatóak, amely a kristálysíkok elcsúszásában realizálódik. Az elektromosságot és hőt jól vezetik.

12 Kötések összefoglalása

13 Azt a több atomból álló, legkisebb szabályos geometriai idomot, amely ismétlődéséből épül fel a kristályszerkezet, elemi cellának (rácselemnek) nevezzük. kristálytani sík rácspont kristálytani irány elemi cella rács

14 Elemi cella felépítése Az atomok az elemi cella csúcsaiban (rácspontokban) rezgő mozgást végeznek. A rezgő mozgás nagysága a hőmérséklettől függ (magasabb hőmérsékleten gyorsabb). Azokat a síkokat, amelyeken a szabályosan ismétlődő atomok középpontjai vannak, kristálytani síkoknak nevezzük. Az egymást követő atomok középpontjait összekötő irányt kristálytani irányoknak nevezzük. Az elemi cellákat geometriai alakja és a cellát felépítő atomok száma alapján különböző típusokba soroljuk.

15 Elemi cella típusok I. Köbös: egyszerű köbös (Po) a=b=c, α=β=γ=90 0 térközepes köbös a=b=c, α=β=γ=90 0 lapközepes köbös a=b=c, α=β=γ=90 0

16 Elemi cella típusok II. Tetragonális: egyszerű (Sn) a=b c α=β=γ=90 0 térben középpontos a=b c, α=β=γ=90 0 Ortorombos: a b c α=β=γ=90 0 (Ga, U)

17 Elemi cella típusok III. Hexagonális: a=b=c d, α=β=γ=90 0, δ=120 0 (Mg) legsűrűbb illeszkedésű hexagonális Romboéderes: a=b=c, α 90 0, β 90 0, γ 90 0 (Hg, Bi) Monoklin: a b c, α 90 0, β 90 0, γ=90 0 (S) Triklin: a b c, α 90 0, β 90 0, γ 90 0 (Se)

18 A cellák geometriai jellemzői Az alakváltozások megértéséhez ismerni kell a rácstípusok felépítésétől függő geometriai jellemzőket, amelyek: a koordinációs szám az elemi cellához tartozó atomok száma az atomok átmérője a térkitöltési tényező a síkkitöltési tényező a legnagyobb hézag helye a rácsban

19 Koordinációs szám I. A koordinációs szám (N): a rácsban elhelyezkedő bármely atomot körülvevő legközelebbi szomszédos atomok száma, amelyeket az atom érint. egyszerű köbös A három irány mentén két-két szomszédos atomja van a cella kiválasztott atomjának, így: N = 3x2 = 6

20 Koordinációs szám II. térközepes köbös A kocka közepén lévő atom legközelebbi szomszédjai a nyolc sarokatom, így: N = 8

21 Koordinációs szám III. lapközepes köbös A két rács vízszintes lapja középen lévő atom legközelebbi szomszédjai a vele egy síkon lévő négy sarokatom valamint a felette és alatta lévő négy-négy lapközépen elhelyezkedő atom, így: N = 12

22 A cella atomszáma I. A cellához tartozó atomok száma (A): az atomok térkitöltésének meghatározásához szükséges adat. egyszerű köbös Minden cella csúcsában nyolc atom helyezkedik el. Mindegyik csúcsban lévő atom tagja a nyolc szomszédos cellának. Így A = 8/8 = 1 atom/cella A = 1

23 A cella atomszáma II. térközepes köbös A csúcsokban lévő nyolc atomra ugyan az érvényes mint az egyszerű köbös esetén, tehát egy darab atom tartozik hozzá. Ugyanakkor minden ilyen típusú cella közepén pedig újabb egy atom található. Így A = 8/8 + 1 = 2 atom/cella A = 2

24 A cella atomszáma III. lapközepes köbös A csúcsokban lévő nyolc atomra ugyan az érvényes mint az egyszerű köbös esetén, tehát egy darab atom tartozik hozzá. A lapközepeken lévő hat atom pedig kétkét szomszédos cellával érintkezik, emiatt még három atom tartozik a cellához. A = 8/8 + 6/2 = = 4 atom/cella A = 4

25 Atomátmérő Az atomok nem pontszerűek, ezért az atomok átmérője (d) és a cella mérete (a) között geometriai kapcsolat van. d/2 d/2 a egyszerű köbös d a a d/2 d d/2 a 2 lapközepes köbös d a 2 2 a a d/2 d d/2 a 3 térközepes köbös a d 2 3 a

26 Térkitöltés A térkitöltés T megmutatja a cellához tartozó atomok térfogatának V a és a teljes cella térfogatának V c viszonyszámát. T V V a c 100 % V a a cellához tartozó atomok számának (A) és az egy atom térfogatának szorzata. Egyszerű köbösnél A = 1 és d = a, így: V a 1 3 a 6 V c a cella térfogata Vc a 3 3 a 6 a Tek % T lkk = 74 % T tkk = 68 %

27 Síkkitöltés A síkkitöltés S megmutatja, hogy a cella síkjának A c, hány százalékát takarják le a cellához tartozó atomok A a. S A A a c 100 A legszorosabban illeszkedő síkokban a legnagyobb a kitöltés. % e. k. a l. k. k. a 2 t. k. k. a a a 2 a 2 Sek 2 2 a a ,54% S lkk = 55,48 %

28 A legnagyobb hézag A rácsba illeszthető legnagyobb idegen atom méretét adja meg. Az ötvözeteknél megmutatja, hogy az adott elem, milyen elemmel ötvözhető. Eldönthető, hogy torzul-e a rács vagy nem. a 2 a a 3 a a e. k. r ( 3 1) 0,365 a Egyszerű köbös: Lapközepes köbös: Térközepes köbös r = 0,365 a r = 0,145 a r = 0,126 a

29 Kristályos testek alakváltozása Az atomok a rácspontokban egyensúlyi helyzetben vannak, ezért a rácspontokból történő elmozdításukhoz energiát kell közölni. Az atomok elmozdulása lehet: rugalmas (reverzibilis), maradó (irreverzibilis), vagy más szóval képlékeny. A rugalmas alakváltozást létrehozhatja a húzóerő hatására fellépő húzófeszültség (ζ), vagy a nyíróerő hatására fellépő nyírófeszültség (η). Az alakváltozás akkor lesz képlékeny, ha a nyíróerő hatására fellépő nyírófeszültség (η) nagyobb lesz mint az elméleti szilárdsági érték (η max ).

30 Rugalmas alakváltozás ζ ζ ζ = E ε E G Anyag GPa GPa Al 72 27,6 η Hooke törvény Cu ,5 Szénacél Krómacél ,5 η η = G γ Titán Volfram E = rugalmassági modulusz ε = fajlagos nyúlás G = rugalmassági modulusz γ = szögelforduláás

31 Képlékeny alakváltozás alap rugalmas rugalmas + képlékeny képlékeny csúszási sík Elméleti szilárdság a köbös rendszerben Τ max = G 2 π Az elméleti és a kísérleti szilárdsági értékek között eltérés van, amelynek okai a rácsrendezetlenségek Anyag G (GPa) T elm (GPa) T kís (MPa) T elm / T kis Fe 81, Al 26,4 4,2 0,

32 Tökéletes felépítésű, hibamentes rács nincs! A hibák keletkezésének okai: Szabálytalan kristálynövekedés: A dermedés során kristályosodási középpontok (elemi cellák) alakulnak ki, majd ezek körül jönnek létre a szabályos elrendezésű, de különböző irányú krisztallitok. A krisztallitok gátolják egymást a növekedésben, ezért a szemcsehatárok rendezetlenek lesznek. Idegen atom jelenléte a rácsban (ötvöző, szennyező) Saját atom a szokásostól eltérő helyen Hőkezelés és képlékeny alakítás

33 Rácshibák jelentősége, típusai Miért fontosak a rácshibák? A rácshibák nagyon kis koncentrációban is gyökeresen megváltoztatják az anyagok tulajdonságait. A rácshibák nélkül : a félvezetők nem működnének a fémek szilárdsága sokkal nagyobb lenne a kerámiák szívóssága sokkal nagyobb lenne a kristályoknak nem lenne színük A rácshibákat a kiterjedésük alapján három csoportba soroljuk: Pontszerű hibák (nullméretű hiba) Vonalszerű hibák (egyméretű hiba, diszlokációk) Felületszerű hibák (kétméretű hiba, határhiba) Térfogati hibák

34 Pontszerű hibák I. A hiba pontszerű, ha az ideális kristály geometriai szerkezetében az egyedi atomok rendje megváltozik. Ez a változás a rácsszerkezet néhány atomátmérőnyi részére korlátozódik, itt torzul a rács. Típusai: Üres rácshely (vakcina): a fémkristályban mindig jelen van, hő hatására számuk növekszik (szobahőmérsékleten 1018 atomra jut egy). A kialakulási mechanizmusa: hőre kiszakad egy atom, és diffúziós úton halad a kristályrács belseje felé. Cementálásnál van jelentősége. Előidézheti még: képlékeny alakváltozás, neutron becsapódás.

35 Pontszerű hibák II. Saját atom intersztíciós (beékelt) helyzetben: a kialakulási mechanizmusa, egy atom kilép a megszokott helyéről (A) és a diffúziós folyamat végén más helyen beékelődik egy elemi cellába (B). Körülötte torzul a rács. Idegen atom szubsztituciós (helyettesítés) helyzetben: egy adott rácspontban valamilyen idegen atom (kisebb vagy nagyobb lehet) a rács egy atomját helyettesíti. A rács mindegyik esetben torzul!

36 Pontszerű hibák III. Idegen atom intersztíciós (beékelt) helyzetben: A kialakulási mechanizmusa: a fémrácsban lévő atomok nem töltik ki teljesen a rendelkezésükre álló teret, így az idegen atom a rács atomjai közötti hézagokban tud elhelyezkedni. Csak kis atomátmérőjű elemeknél van erre lehetőség (C, H, O).

37 Vonalszerű rácshibák I. Olyan kristályhiba, amely a rács atomjainak egész sorára kiterjed ki és a kristály elcsúszott és el nem csúszott részének a határát adják. A fémek alakíthatóságában döntő szerepet játszik. Típusai: Éldiszlokáció: csúszási sík extrasík

38 Vonalszerű rácshibák I. Csavardiszlokáció: Vegyes diszlokáció

39 Felületszerű rácshibák Kétdimenziós határok, amelyek olyan tartományokat választanak el, amelyek két oldalán különböző orientációjú, illetve különböző rácsszerkezetű részek találhatók. A felületre merőleges kiterjedése néhány atomátmérőnyi. A hiba lehet kristályszerkezettől független és függő. Rácstól független: Kristályfelület Szemcsehatár Szubszemcsehatár Általános fázishatár Rácstól függő: Rétegződési hiba Összefüggő fázishatár Ikerkristály határ ikerkristály szemcsehatár

40 Az atomok a rácsszerkezetben rezgő mozgást végeznek. Olvadáskor a hő hatására mozgásuk amplitúdója annyira megnő, hogy kiszakadnak a rácsból és az anyag folyékonnyá válik. Q = c m (t 2 t 1 ) Q = az a hőmennyiség, amely az adott tömeget t 1 ről, t 2 re hevíti c = az anyag fajhője m = a test tömege Dermedéskor a mozgás lelassul és néhány atom összekötődéséből kristálycsírák (kristályosodási középpontok) alakulnak ki. Körülöttük elkezdenek duzzadni a kristályok, amelyek szabálytalan határfelülettel összeérnek. Az így kialakult tovább már nem növekvő kristályokat krisztallitoknak nevezzük.

41 ömledék pépes szilárd Színfém lehűlési görbéje T, C 0 dermedés kezdete dermedés vége T D Δt Az olvadás és dermedés azonos hőmérsékleten, T D és Δt idő alatt megy végbe. Gyors hűtéssel finom, míg lassú hűtéssel durva szemcseszerkezet keletkezik. T SZ t, s krisztallit határ krisztallit

42 A színfémeket mechanikai, fizikai és kémiai tulajdonságainak javítása érdekében ötvözik. Egy új tulajdonságokkal rendelkező anyagot állítanak elő. Az ötvözet legalább látszatra egynemű, fémtermészetű anyag, amelyet két vagy több anyag összeolvasztásával nyerünk. A legnagyobb mennyiségben előforduló elem az alapfém. Alkotó elemei többnyire fémek (Fe, Cu, Cr), de lehetnek fémekhez közelálló elemek (C, Si), vagy nemfémes elemek (S, P), sőt gázok (H, N) is. Az ötvözet lehet: szilárd oldat, fémes vegyület és eutektikum.

43 ömledék pépes szilárd Ötvözetek lehűlési görbéje T, C 0 dermedés kezdete dermedés vége T Dk T Dv Δt Az olvadás és dermedés nem azonos hőmérsékleten, hanem ΔT hőmérséklet közben és Δt idő alatt megy végbe. T SZ t, s alapfém ötvözőfém

44 Szilárd oldat I. Rendszerint kétalkotós kristályos fázis, amelynek alkotói közös rácsszerkezetbe illeszkednek a megszilárdulás után úgy, hogy az alkotók nem különböztethetők meg egymástól, homogén krisztallitokat alkotnak. A közös rácsszerkezet az alapfém rácsszerkezetével lesz azonos: Cu (lapközepes) Al (lapközepes) = akkor az ötvözet lapközepes Cu (lapközepes) Sn (tetragonális) = akkor az ötvözet lapközepes A dermedés meghatározott hőközben történik, nem azonos hőmérsékleten mint a színfémeknél.

45 Szilárd oldat II. Kétféle módon jöhet létre: helyettesítéssel vagy beékelődéssel: helyettesítéssel (szubsztituciós): az alapfém elemi cellájának egyes atomjait az ötvöző fém atomjai helyettesítik korlátlan oldódás: azonos rácstípus, az elektrokémiai sorozatba ne álljanak messze egymástól, atomsugár különbség kisebb mint 15%, azonos számú elektront adjanak le korlátolt oldódás: ha az előző feltételek csak részben teljesülnek beékelődéssel (interszticiós): az alapfém elemi cellájának atomjai közötti térben helyezkednek el az ötvöző fém atomjai korlátlan oldódás: 0 100%, kis rendszámú elemek (H, B, O, N), r<10-10 korlátolt oldódás: az oldóképesség felső határát telített oldatnak nevezzük

46 Fémes vegyület Két vagy többalkotós kristályos fázisok, amelynek alkotói közös kristályrács szerkezetbe illeszkednek, de ez a szerkezet független az alkotók rácsszerkezetétől. Az alkotók aránya már állandó és jellemző a vegyületre. Megszilárdulásuk a színfémekhez hasonlóan állandó hőmérsékleten történik. Típusai: ionvegyület: az olvadáspont magas, kismértékben vagy egyáltalán nem oldódnak egymásban az összetevők elektronvegyület: az olvadáspont az alkotók olvadáspontjai közé esik, nagyobb mennyiségben is képesek oldani egymást intersztíciós vegyület: oldóképességük igen kicsi, gyakorlatilag állandó

47 Állapotábra szerkesztés C C 0 A likvidusz pépes olvadék 1083 szilárd szolidusz B Cu Ni 0% 100% 25% 75% 50% 50% 75% 25% 100% 0% t 0% 50% 100% %

48 Jellegzetes állapotábrák I. Ömledék és szilárd állapotban korlátlanul oldódnak, a kialakult ötvözet kizárólag szilárd oldatot alkot. C ömledék szilárd pépes Ni 100% Cu 100% %

49 Jellegzetes állapotábrák II. Ömledék állapotban korlátlanul oldódnak, míg szilárd állapotban nem oldódnak. C H C primer Sn E primer Bi G F Sn 100% Bi 58% Bi 100% 100% 0% 100% 0% 100% 0% Sn ömledék Bi Sn Bi Sn kristály eutektikum Bi kristály % fázisdiagram 200 C 0 fázisdiagram 0 C 0 szövetdiagram

50 Jellegzetes állapotábrák III. ömledék + Ag Ömledék állapotban korlátlanul oldódódnak, míg szilárd állapotban korlátozottan. C 0 H 950 ömledék G α C E Ge 6,5% ömledék + Ge F Ge 18,5% Ag + Ge Ge 4% D Ag 100% α = szilárd oldat mező Ge 100% %

51 Vas - szén ötvözetek A vas (Fe) legfontosabb ötvözője a szén (C), amellyel ömledék állapotban korlátlanul oldódik, míg szilárd állapotban korlátozottan oldódik. Az ötvözéshez a szenet a nagyolvasztóban a kokszból veszi fel. Az ötvözet mindig több szenet tartalmaz, mint amennyivel szobahőmérsékleten szilárd oldatot képezne. A szén kétféle formában fordulhat elő: szabad tiszta szén = grafit: kis szilárdságú, lágy anyag, képlékenyen nem alakítható kötött fémes vegyület = vaskarbid (Fe 3 C), neve cementit: kemény, rideg Az egyensúlyi diagram vizsgálatánál ezért meg kell különböztetni a karbidrendszert (Fe - Fe 3 C) és a karbonrendszert (Fe - C).

52 Fe Fe 3 C egyensúlyi diagram 1538 δ 1394 C 0 A N 0,3% B I H 1,2% 3% 5% D ,3% 1,2% 1148 γ E C F 3% M P G O S A cm A 3 A 1 K 5% α Q 0,02 0,77 2,11 4,3 6,67 Fe % Szövetelemek Fe 3 C %

53 Egyensúlyi diagram elemzése I. A likvidusz az A, B, C, D pontokon áthaladó görbe. A szolidusz az A, H, I, E, C, F, D pontokon áthaladó görbe. A tiszta vas lehűlése során a rácsszerkezet átalakul, ezért szilárd állapotban három egyfázisú (homogén) szövetelem található: az A, H, N pontok között, C 0 hőmérséklet tartományban térközepes köbös δ vas, a szénoldóképessége max. 0,09 % az N, I, E, S, G pontok közötti allotróp átalakulás révén C 0 hőmérséklet tartományban lapközepes köbös ausztenit (γ vas) szilárd oldat jön létre, a szénoldóképessége max. 2,11 % 1148 C 0 -on, lágy jól alakítható, nem mágnesezhető a G, P, Q pontok között ez az állapot nem marad meg, ugyanis 911 C 0 hőmérséklet alatt ismét térközepes köbös szilárd oldat ferrit (α vas) lesz, a szénoldóképessége maximum 0,0218% 727 C 0 -on

54 Egyensúlyi diagram elemzése II. a 770 C 0 - on található M, O vonalig (Curie hőmérséklet) a ferrit mágnesezhető (ferromágneses), ennél magasabb hőmérsékleten nem mágnesezhető (paramágneses) negyedik szilárd fázis lehetne az Fe 3 C, de csak 6,67% széntartalomnál ad homogén ötvözetet Ha C < 2,11 % - nál vas - szén ötvözeteket acéloknak, míg a nagyobbakat nyersvasnak (öntöttvas) nevezzük. A C pont két likvidusz ág találkozási pontja 4,3% C tartalomnál és 1148 C 0 hőmérsékleten, itt ledeburit elnevezésű eutektikum képződik, amely vaskarbidból (FeC 3 ) és ausztenitből (γ) áll, kemény képlékenyen nem alakítható ötvözet ha a széntartalom 2,11-4,3 % között van hipoeutektikus öntötvasról ha a széntartalom 4,3 6,67 % között van hipereutektikus öntötvasról

55 Egyensúlyi diagram elemzése III. Az S pont két korlátozott oldóképességet jelölő görbe találkozási pontja 0,77 % C tartalomnál és 727 C 0 hőmérsékleten, itt perlit elnevezésű eutektoid képződik, amely ferritből (α) és cementitből áll, képlékenyen alakítható, szilárdsága nagyobb mint a ferrité ha a széntartalom 0,0218 0,77 % között van hipoeutektoidos ötvözet ha a széntartalom 0,77 2,11 % között van hipereutektoidos ötvözet eutektoid eutektikum

56 0,3% C tartalmú acél lehűlése 1. a likvidusz felett ömledék 2. a likvidusz és a szolidusz között γ kiválás: γ + ömledék 3. a szolidusztól a GOS (A 3 ) vonalig tisztán γ található 4. a GOS (A 3 ) vonal alatt megkezdődik a γ α átalakulás, amely során ferrit válik ki és tart egyensúlyt az ausztenittel A 1 hőmérsékletig: ferrit + ausztenit 5. az A 1 (727 C 0 ) hőmérséklettől a maradék ausztenit perlitté alakul, a további lehűtés során alacsony karbonkoncentrciójú tercier cementit válik ki A hipoeutektoidos acélok: ferrit, perlit és tercier cementit szövetelemekből állnak.

57 1,2% C tartalmú acél lehűlése 1. a likvidusz felett ömledék 2. a likvidusz és a szolidusz között γ kiválás: γ + ömledék 3. a szolidusztól az ES (A cm ) vonalig tisztán γ található 4. az ES (A cm ) vonaltól secunder cementit válik ki, így itt γ + secunder cementit található 5. az A 1 hőmérséklettől lefelé megindul a γ α átalakulás további secunder cementit kiválás közben, eredménye: perlit + secunder cementit A hipereutektoidos acélok: perlit és secunder cementit szövetelemekből állnak.

58 3% C tartalmú nyersvas lehűlése 1. a likvidusz felett ömledék 2. a likvidusz és az 1147 C 0 között γ kiválás: γ + ömledék C 0 és az A 1 hőmérséklet között ledeburit ledeburit: telített ausztenit és eutektikum eutektikum: ausztenit és cementit 4. az A 1 hőmérséklettől lefelé megindul a γ α átalakulás, nagyobb karbontartalmú cementit kiválás közben, eredménye: perlit + secunder cementit A hipoeutektikus öntöttvasak: perlit, ledeburit és secunder cementit szövetelemekből állnak.

59 5% C tartalmú nyersvas lehűlése 1. a likvidusz felett ömledék 2. a likvidusz és a szolidusz (1147 C 0 ) között diffúzió révén primer cementit válik ki: ömledék + primer cementit 3. az 1147 C 0 és az A 1 hőmérséklet között ledeburit és primer cementit alakul ki 4. A 1 hőmérséklet alatt már változás nem történik A hipereutektikus öntöttvasak: ledeburit és primer cementit szövetelemekből állnak.

60 α+perlit+terc.cem. Szövetelemek elhelyezkedése 1538 δ P α C 0 A N M G H γ B O S I γ + ömledék E γ + sec. cem. perlit + sec. cem. γ + ledeburit + sec. cem. perlit + ledeburit + sec. cem. ömledék C D primer cem. + öml. primer cem. + ledeburit primer cem. + ledeburit 1227 F K Q 0,02 0,77 2,11 4,3 6,67

61 Szövetelemek tulajdonságai Ausztenit (γ) lapközepes, intersztíciós szilárd oldat lágy, jól alakítható, nem mágnesezhető Ferrit (α) térközepes köbös intersztíciós szilárd oldat lágy, jól alakítható adott hőmérsékleti mágnesezhető (774 C 0 ) Cementit (Fe 3 C) Perlit Fe 3 C intersztíciós vegyület kemény, rideg, nem alakítható ferritbe ágyazott cementit lemezkék képlékenyen alakítható

62 Izotermikus átalakulás Az egyensúlyi diagram szövetelemei lassú hűtéssel alakulnak ki, a gyártásban ez költséges lenne. Évszázadok óta a vastárgyak tulajdonságait úgy változtatták meg, hogy C 0 közé hevítették, majd gyorsan lehűtötték. Ezzel az eljárással merőben más tulajdonságú szövetelemeket lehetett előállítani (bainit, martenzit). Izotermikus átalakulási diagram szerkesztése: azonos próbatesteket különböző hőmérsékletekre hűtöttek és ott hőn tartották így megkapták az ausztenit átalakulásának kezdő és végpontját a pontokat összekötve C alakot kaptak, innen az elnevezés a hűtéskor két jelenség játszódik le: diffúzió és γ α átalakulás

63 C görbe szerkesztése C 0 A 3 A 1 P k P v B k B v M k M v log t

64 Lehűlési sebesség C 0 A 3 A 1 v hűtés < v krit. alsó ausztenit perlit v hűtés > v krit. felső ausztenit martenzit v krit. alsó < v hűtés < v krit. felső mindkettő M k M v v krit. felső v krit. alsó log t

65 Mag és felszín hűlése C 0 belső rész lehűlési sebessége A 3 A 1 Más szövetszerkezet alakulhat ki a magban a kéreghez képest! M K M V külső rész lehűlési sebessége log t

66 Perlites átalakulás A perlit kialakulása az A 1 és 550 C 0 között megy végbe. Diffúziós folyamat, elsődleges az Fe 3 C diffúziója és másodlagos a γ α átalakulás. Cementit csírák alakulnak ki az ausztenit határain, a diffúzió révén cementit korongokká válnak, ezért lemezes szerkezetű kétfázisú szövetelem lesz a perlit. Minél alacsonyabb hőmérsékleten megy végbe annál nagyobb lesz a szilárdsága. Gyors hűtéssel finomítani lehet a szemcseméretet, így nő a szilárdság, de csökken a nyúlás (sorbit, troostil). Fe 3 C lemezek ferrit (α) lemezek

67 Bainites átalakulás A bainit kialakulása 550 C 0 és 250 C 0 között játszódik le. Szintén diffúziós folyamat, de ebben a γ α átalakulás az elsődleges és az Fe 3 C diffúziója a másodlagos. Az ausztenit szemcsék határán ferritcsírák jelennek meg és belőlük tűs kristályszerkezet és cementit korongok halmaza alakul ki, amely kétfázisú szövetelem. Szilárdsága nagyobb, nyúlása kisebb mint a perlité. Minél alacsonyabb hőmérsékleten megy végbe annál nagyobb lesz a keménység.

68 Martenzites átalakulás A gyors lehűlés miatt csak γ α átalakulás van, mert ennek az átalakulásnak igen kicsi az időszükséglete, a diffúzió ilyen rövid idő alatt nem tud végbemenni, ezért ez az átalakulás diffúzió mentes. Az átalakulás során beékelődő szén atomok tetragonálissá torzítják a térközepes köbös rácsot, az így kialakult feszültséget az M k alatti hőntartással lehet csökkenteni az anyagban. Ez a szövetelem egyfázisú, keménysége a széntartalomtól függ. Igen kemény, rideg nem alakítható. durvaszemcsés finomszemcsés

69 Diagramok A torzítás mértéke az ausztenit C tartalmának függvénye A torzulás nagy belső feszültséget eredményez, ami a martenzitet nagyon keménnyé, rideggé teszi.

70