A fémek egyensúlyi viselkedése. A fémek kristályos szerkezete

Átírás

1 A fémek egyensúlyi viselkedése A fémek kristályos szerkezete

2 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.

3 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.

4 A rácsszerkezet jellemzői Koordinációs szám atomátmérő elemi cellát alkotó atomok száma térkitöltési tényező elemi cellába illeszthető legnagyobb gömb legsűrűbb illeszkedési sík és irány

5 A rácsszerkezet jellemzői Koordinációs szám: egy rácspontbeli atom legközelebbi szomszédainak száma; kisebb érték (pl. 4) nagyobb keménységre, nagyobb érték (pl. 12) nagyobb alakváltozóképességre utal. merev gömbnek tekintett atomok átmérője a radiokrisztallográfiai (diffrakciós) úton meghatározott rácsparaméterhez viszonyítva utal az adott anyag szubsztitúciós (atomhelyettesítéses) ötvözhetőségére. Rácselemben foglalt atomok száma (pl. a köbös rácselem csúcsán lévő atom ⅛, az élén lévő ¼, a lapján lévő ½ részben veendő számításba).

6 A rácsszerkezet jellemzői Térkitöltési tényező: a gömböknek feltételezett atomok által kitöltött rácselem- térfogatnak és a rácselem teljes térfogatának a hányadosa. Kristályrács legnagyobb hézagainak helye és nagysága utal az intersztíciós (atombeékelődéses) ötvözési lehetőségekre.

7 Köbös vagy szabályos rendszer Egyszerű vagy primitív (Po) Térközepes Lapközepes gyémántrács

8 Térközepes köbös rácsszerkezet

9 Li, Na, K, V, Cr, W, Ta, és a vas (δ-fe) 1392 C és az olvadáspont (1536 C ) között illetve 911 C (α-fe ) alatt. Térközepes köbös

10 Lapközepes köbös rácsszerkezet

11 Al, Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Ir, Pt valamint a vas (γ-fe) 911 C és 1392 C között. Lapközepes köbös

12 Gyémántrács minden C atom között kovalens kapcsolat van.

13 Hexagonális rácsszerkezet

14 Hexagonális rendszer Egyszerű pl. grafit szoros illeszkedésű pl. Be, Zn, Mg, Cd és a Ti egyik módosulata

15 A rácsszerkezet jellemzői

16 Polimorfizmus, allotrópia A kristályos szerkezet néhány esetben nincs egyértelmű kapcsolatban az összetétellel. A rácsszerkezet a fizikai paraméterek: hőmérséklet és nyomás függvényében megváltozhat. Ez a polimorfizmusnak nevezett jelenség pl. SiO 2 kvarc vagy a grafit és a gyémánt A színfémek polimorfizmusát allotrópiának nevezzük.

17 Allotróp átalakulás Az elem egymás után előforduló rácsú változatait az un. allotróp módosulatait a hőmérséklet növekvő sorrendjében a görög ábécé betűivel, az átalakulások hőmérsékleteit pedig rendre A 1, A 2... A n betűkkel jelölik.

18 Rácsrendezetlenségek, rácshibák A kristályszerkezet megismerése lehetővé tette a maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség (R P0,2 ) számítását, modellek alapján Az elcsúszást előidéző feszültség számított és a mért értékeke között nagyságrendnyi eltérés volt

19 Magyarázat 1 A fémkristályokban az elcsúszás a képlékeny alakváltozás nem egyszerre következik be, hanem egy adott síkon és adott irányban fokozatosan

20 Magyarázat 2 Az elcsúszás nem egyszerre megy végbe Ez csak akkor lehetséges, ha a kristály tartalmaz egyméretű rácshibákat, diszlokációkat.

21 Reális rács, rácsrendezetlenségek, rácshibák A rácsrendezettlenségeket kiterjedésük szerint csoportosíthatjuk: Nulladimenziós (pontszerű) rácshibák Egydimenziós (vonalszerű) rácshibák Két- és háromdimenziós (sík és térbeli) hibák

22 Pontszerű rácshibák

23 Üres rácshelyek Egységnyi térfogatuk a hőmérséklet emelkedésével nő Szobahőmérsékleten kb K-nél már 10 5 atomra jut üres rácshely Fontos szerepük van a diffúzióban

24 Idegen atom a rácsban

25 Egydimenziós rácshibák Éldiszlokáció Diszlokáció csavardiszlokáció

26 A diszlokáció az elcsúszott és el nem csúszott részek határvonala! A diszlokációk elmozdulásával jön létre a fémben a képlékeny alakváltozás!

27 Diszlokáció Diszlokáció rozsdamentes acélban (Cr-Ni ötvözés) diszlokáció Ti ötvözetben N x

28 A diszlokációsűrűség és a szilárdság közötti összefüggés

29 Felület Kétdimenziós rácshibák

30 Kétdimenziós rácshibák kristályhatár

31 Kétdimenziós rácshibák Fázishatár a fázisok határfelületei koherens semikoherens inkoherens

32 Ötvözetek Színfémek nem tudják az ipar igényeit kielégíteni ötvözet= olyan, legalább látszatra egynemű, fémes természetű elegy, amelyet két vagy több fém összeolvasztása, vagy egymásban való oldása utján nyerünk. Alapfém ötvöző szennyező

33 Az ötvözetek szerkezete, színfém, szilárdoldat vegyület fázisai Ezek a kristályos fázisok előfordulhatnak önállóan, mint egy fázisú szövetelemek, de alkothatnak egymással kétfázisú heterogén szövetelemeket is.(eutektikum, eutektoid)

34 Szilárd oldat szubsztitúciós az alapfém atomját helyettesíti intersztíciós az alapfém atomjai közé beékelődik

35 Az oldódás lehet: Korlátlan, ha: (csak szubsztitúciós) azonos a rácsszerkezet atomátmérőben ±14-15 % -nál nem nagyobb az eltérés azonos a vegyérték Korlátozott α ß

36 Fémvegyület Ionvegyületek pl. NaCl, CaF 2, ZnS elektronvegyület pl. CuZn, Cu 5 Zn 8, CuZn 3 vagy AgZn, Cu 5 Si intersztíciós vegyület pl. A 4 B, A 2 B, AB vagy AB 2 lehet vagy ilyen pl. a Fe 3 C, Mn 7 C 3

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

38 A fémek és ötvözetek kristályosodása, átalakulásai Hogyan jön létre a szilárd szerkezet?

39 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 A rendszert az alkotók vagy komponensek építik fel. Jele: K A rendszer állapotát az állapottényezők határozzák meg. Ezek: a hőmérséklet T a nyomás p a koncentráció c Az állapothatározók és a fázisok száma között egyensúly esetén összefüggés van. Ezt fejezi ki a Gibbs féle fázisszabály.

41 A Gibbs féle fázisszabály általános alakja A Gibbs - féle fázisszabály általános alakja szerint a fázisok (F) és a szabadsági fokok (Sz) számának összege kettővel több, mint a komponensek (K) száma F + Sz = K + 2 A képletben szereplő 2-es szám, a nyomást és a hőmérsékletet, mint független változókat jelenti.

42 A Gibbs féle fázisszabály fémekre érvényes alakja A fémek esetében a nyomásnak alig van hatása, ezért állandónak tekintjük. Ezért a fázisszabály fémekre vonatkozó alakja: F + Sz = K + 1

43 A rendszer állapotának termodinamikai vizsgálata A rendszer, adott körülmények között akkor van termodinamikai egyensúlyban ha a szabadenergiája minimális. A rendszer mindig a legalacsonyabb energiaszintre törekszik. A spontán, külső beavatkozás nélkül létrejövő folyamatok, minden esetben csökkentik a rendszer szabadenergiáját

44 A rendszer állapota lehet Stabil (legalacsonyabb energia szint) metastabil azt jelenti, hogy a rendszer fázisainak energiája nem a legkisebb, mégis hosszú ideig képesek ebben az állapotban maradni instabil

45 A rendszer állapotának vizsgálata a szabadenergiákkal A rendszer adott körülmények között akkor van egyensúlyban, ha a szabadenergiája minimális! A szabadenergia felírható :

46 F szabadenergia függvény Helmholtz féle szabadenergia Az F szabadenergia függvényt az F = U - T.S kifejezés határozza meg. A képletben U a rendszer belső energiája, T az abszolút hőmérséklet, S a rendszer entrópiája. Az így megadott szabadenergia az un. Helmholtz féle szabadenergia.

47 A rendszer belső energiája a rendszert alkotó részecskék kinetikus és potenciális energiájának összege. A belső energia a rendszer állapotát egyértelműen meghatározza, ezért állapotfüggvénynek nevezzük. Ha egy fémet hevítünk nő a belső energiája, ami túlnyomó többségében a részecskék rezgési amplitúdóját növeli, viszonylag kis része pedig növeli a ponthibák koncentrációját.

48 Entrópia Termodinamikailag ds = dq T szemléletesebben statisztikus entrópia S = k lnw w a termodinamikai valószínűség, azaz a belső energia a részecskék között hogyan oszlik meg

49 Az esetek túlnyomó többségében nem az energia abszolút értéke, hanem az energiakülönbség nagysága fontos.. F Ha az energia különbség csökkenő a folyamat külső beavatkozás nélkül, spontán végbemegy!

50 Egykomponensű rendszer Egykomponensű rendszer akkor van egyensúlyban, ha a fázisok szabadenergiája egyenlő. F olv. = szilárd egyensúlya

51 Kristályosodás A 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.

52 Fémkristályok, krisztallitok A fémek esetében csak speciális hűtési módszerrel tudunk egykristályokat kialakítani. Bármely fémdarabot megnézve azon a kristályosság nem fedezhető fel. Ezek a krisztallitok

53 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.

54 Olvadék dermedése

55 A 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. Kristályosodás

56 Milyen szemcseméret alakul ki Lassú hűtés (pl. homokforma) a csiraképződés kicsi, a növekedés sebessége nagy. Az eredmény durva szemcseszerkezet dermedéskor?

57 Milyen szemcseméret alakul ki Gyors hűtés (pl. fémforma, kokilla) a csiraképződés nagy, a növekedés sebessége nagy. Az eredmény finom szemcseszerkezet dermedéskor?

58 Lassabb hűtés Gyors hűtés

59 A kristályosodást befolyásoló tényezők Idegen fajtájú csira

60 Kristályosodási formák Poliederes dendrites szferolitos

61 A kristályosodást befolyásoló Intenzív, irányított hőelvonás (fém forma, kokilla) tényezők