Atomerőművi anyagvizsgálatok 4. előadás: Fémtan

Átírás

1 Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Nukleáris Technikai Intézet (NTI) Atomerőművi anyagvizsgálatok 4. előadás: Fémtan Tárgyfelelős: Dr. Aszódi Attila Előadó: Kiss Attila ősz Atomerőművi anyagvizsgálatok 1/87

2 Köszönetnyilvánítás: Kiss Attila elıadásainak diái Dr. Csizmazia Ferencné tanárnı (SZE-Gyır) tanévi elıadásainak anyagai és a tanárnı interneten fellelhetı diái alapján készültek néhány világhálóról lementett képi illusztráció hozzáadásával. *** Jelen elıadás szerzıje (tanárnı egykori hallgatója) ezúton is köszönetet mond Dr. Csizmazia Ferencné tanárnınek (SZE-Gyır) a diák közreadásáért! Kiss Attila Tudományos segédmunkatárs BME NTI Atomerőművi anyagvizsgálatok 2/67

3 Kérdések az elızı óráról 1. A fémüveg az olvadékból olyan gyorsan lehőtött fém, amelynek nem alakul ki a kristályszerkezete, hanem a gyors hőtés (a lehőtés tipikus sebessége: 10 5 K/s) miatt a folyadékban uralkodó atomi rendezetlenség fagy bele az anyagba. Amorf fémnek, fémüvegnek vagy üveges fémnek is nevezik. 2. Forrásgörbe Vs párolgásgörbe: Bihari: Termodinamika Vs Aszódi: Kétfázis hıátadás Atomerőművi anyagvizsgálatok 3/87

4 Fémtan Atomerőművi anyagvizsgálatok 4/87

5 Fémtan: A 4. előadás tartalma 1.A metallográfia és jelentősége 2.Fémtani alapfogalmak 3.Színfémek és ötvözetek egyensúlyi lehűlése 4.A vas-karbon ötvözetrendszer Atomerőművi anyagvizsgálatok 5/87

6 A metallográfia és jelentősége Atomerőművi anyagvizsgálatok 6/87

7 A fémszerkezettan (metallográfia) Kísérlet: jelentısége Két azonos anyagminıségő kötıtőt fehér izzásig melegítünk, majd az egyiket vízben gyorsan lehőtünk, a másikat levegın hagyjuk lehőlni hajlítás hatására a gyorsan lehőtött tő jelentısen meghajlik (jelentıs képlékeny alakváltozást mutat szívós-képlékeny viselkedés), a másik rögtön eltörik (rideg anyagként viselkedik). A kísérlet során az összetétel nem változott, de a tők tulajdonságai igen! A változás oka: az acél kötıtők kristályszerkezetének megváltozása! Atomerőművi anyagvizsgálatok 7/87

8 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A kristályos anyagok fizikai tulajdonságait a kristályszerkezet nagymértékben befolyásolja! Pl. 1.: elemi szén két megjelenési formája a grafit és a gyémánt az eltérı tulajdonságok oka az eltérı kristályszerkezetük Pl. 2.: a vas és ötvözeteinek kristályszerkezetei a fémek szerkezetével egy külön tudomány, a fémszerkezettan (metallográfia) foglalkozik! Atomerőművi anyagvizsgálatok 8/87

9 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A fémek tulajdonságait kristályrácsuk szerkezete nagymértékben befolyásolja! Ezért érdemes megismerni a fémek leggyakoribb rácsszerkezeteit A fémek általában szabályos (köbös) rendszerben kristályosodnak! Atomerőművi anyagvizsgálatok 9/87

10 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A köbös térrácsnak több változata van: Egyszerő köbös EK (pl. Pd - palládium) Térközepes köbös TKK (pl. Cr; W; Mo; Fe; V) Lapközepes köbös LKK (Al; Ni; Cu; Ag; Fe) Atomerőművi anyagvizsgálatok 10/87

11 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A köbös térrács változatai: EK (pl. Pd - palládium) TKK (pl. Fe αvas) LKK (pl. Fe γvas) Az Fe-nek T [ C] függvényében kétféle rácsszerkezete, kristálymódosulata létezik: α vas (TKK) <910 C< γ vas (LKK) (lassú melegítés/hőtés esetén) Atomerőművi anyagvizsgálatok 11/87

12 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A kristályos anyagok rácsszerkezetének átrendezıdését, átkristályosodásnak nevezzük, mely egy megfordítható folyamat. Azt a hımérséklet, amelyen az átkristályosodás létrejön, átkristályosodási kritikus hımérsékletnek nevezzük (pl.: Fe-nél 910 C) Az Fe átkristályosodása lassú melegítés/hőtés esetén következik be 910 C-on! Ha a T-változás gyors, akkor melegítéskor az átkristályosodás 910 C fölött, h őtéskor alatta következik be! Az eltérés annál nagyobb, minél nagyobb a hőtés/melegítés sebessége! Vagyis az átkristályosodási hımérsékletet a hımérséklet változás sebessége is befolyásolja! Atomerőművi anyagvizsgálatok 12/87

13 Fémtani alapfogalmak Atomerőművi anyagvizsgálatok 13/87

14 Fémtani alapfogalmak 1/15 Színfém: Gyakorlatban nem létezik a színfém (mindig van benne kevés szennyező anyag); Néhány kivételtől eltekintve nem alkalmaznak színfémeket a gyakorlatban (kivétel pl. platinaimplantátum, Al vagy Cu elektromos kábelek, stb.); Előállítása drága; Általában mechanikai tulajdonságaik nem felelnek meg az elvárásoknak (pl. túl lágyak, törékenyek, ridegek, stb.) Atomerőművi anyagvizsgálatok 14/87

15 Fémtani alapfogalmak 2/15 Az ismert elemek között kb. 70 a fémes elem, amelyek közül 30-at alkalmazunk az iparban; A színfémek nagy számuk és különbözı tulajdonságaik ellenére sem elégítik ki az ipar követelményeit; A követelményeknek megfelelı tulajdonságú - kellıen szilárd és kemény, korrózióálló, stb. fémes anyagokat ötvözéssel állítják elı. Fémek ötvözetében fémek, félfémek (metalloidok, pl. C, Si, stb.) és nemfémes elemek (pl. S) fordulhat elı Atomerőművi anyagvizsgálatok 15/87

16 Fémtani alapfogalmak 3/15 Ötvözet: Az ötvözet a fémek megszilárdult oldata. Olyan, legalább látszatra egynemű, fémes természetű elegyet értünk ötvözet alatt, amelyet két vagy több fém összeolvasztása, vagy egymásba való olvadása útján nyerünk; Gyakorlatban döntő többségben ötvözeteket használunk Atomerőművi anyagvizsgálatok 16/87

17 Fémtani alapfogalmak 4/15 Ötvözet rendszer: Két vagy több fém alkotóból előállítható ötvözetek összességét ötvözet rendszernek nevezzük; Két, három vagy több alkotós ötvözetekről beszélhetünk Atomerőművi anyagvizsgálatok 17/87

18 Ötvöző: Fémtani alapfogalmak 5/15 Ötvözőbe szándékosan bevitt ötvöző elemeket(pl. vasötvözet esetén hőállóság növelésére wolfrán) és szándékolatlanul bevitt szennyező anyagokat különböztetünk meg (pl. vasötvözet esetén S és P). (Ha az ötvözőanyag olyan kis mennyiségben fordul elő, hogy a tulajdonságokra gyakorolt hatása elhanyagolható, akkor kísérő anyagnak nevezzük.) Az ötvöző tehát az alapfémbe szándékosan bevitt, az ötvözet tulajdonságait a felhasználási cél szempontjából pozitív irányba befolyásoló anyag! Atomerőművi anyagvizsgálatok 18/87

19 Fémtani alapfogalmak 6/15 Mikroötvözők: Az alapfémbe kis %-ban (jellemzően 1% alatti arányban) bevitt anyag, ami jelentősen befolyásolja az ötvözet tulajdonságait; Két fajtája van a bejutás módja szerint: Szándékos, pl. olvadáspont növelésére W acélba; Szándékolatlan, ami elve az alapfémben van, pl. a szén a vasban Atomerőművi anyagvizsgálatok 19/87

20 Fémtani alapfogalmak 7/15 Az ötvözetekben négy féle szilárd halmazállapotú fázis fordulhat elő: Színfém; Szilárd oldat (fémötvözetek, pl. acélok); Fémvegyület (szokatlan tulajdonságú anyagforma, amit nem fémes kötés tart össze); Eutektikum fordulhat elő Atomerőművi anyagvizsgálatok 20/87

21 Fémtani alapfogalmak 8/15 Színfém: Több komponensű rendszer esetén sem alkotnak egy szövetszerkezetet a komponensek; A rácsszerkezetet nem együtt, hanem különkülön alakítják ki Atomerőművi anyagvizsgálatok 21/87

22 Fémtani alapfogalmak 9/15 Szilárd oldat: A szilárd oldatban a komponensek együtt alakítják ki a rácsszerkezetet (a vegyeskristályt), vagyis csak fizikai kapcsolat alakul ki az alapfém és az ötvöző között; Az ötvözet rácsa megegyezik az alapfém (oldó fém) rácsával; Az ötvöző fém atomjai az oldó fém rácsában kétféleképpen helyezkedhetnek el (ált. torzulást okozva!!!): 1. Intersztíciós szilárd oldat az ötvöző fém atomja az alapfém atomjai közzé ékelődik. 2. Szubsztitúciós (helyettesítő) szilárd oldat az ötvöző fém atomja az alapfém atomjának helyén van; Atomerőművi anyagvizsgálatok 22/87

23 Fémtani alapfogalmak 10/15 Szilárd oldat (folyatatás): Korlátlan oldódás csak szigorú feltételek mellett jöhet létre. Feltételek szubsztitúciós szilárd oldat kialakításához: Azonos rácsszerkezet alapfém és ötvöző között; Atomátmérőben +/- 15%-nál nem nagyobb eltérés; Azonos vegyérték az alapfém és az ötvöző esetén. Az alapfém és ötvöző elektrokémiai potenciálja nem nagy mértékben különbözik. Ha az első három feltétel teljesül, akkor az utolsó is teljesül! Példa korlátlan oldódásra: Cu-Ni; Au-Ag, stb Atomerőművi anyagvizsgálatok 23/87

24 Fémtani alapfogalmak 11/15 Szilárd oldat (folyatatás): Korlátlan oldódás intersztíciósan is csak szigorú feltételek mellett jöhet létre. Feltételek intersztíciós szilárd oldat kialakításához: Azonos rácsszerkezet alapfém és ötvöző között; Atomátmérőben +/- 15%-nál nagyobb eltérés; Példa: Ni oldódása a γ-vasba; vagy a Cr oldódása az α- vasba, de a C a vasban is így oldódik, stb Atomerőművi anyagvizsgálatok 24/87

25 Fémtani alapfogalmak 12/15 Szilárd oldat (folyatatás): Az ötvöző atomok nem illenek bele tökéletesen az ötvöző fém rácsszerkezetébe méretük miatt; A maradó alakváltozáshoz annál nagyobb erőre van szükség, minél torzultabb a rács; Ezért a rácstorzulások nehezítik, de nem akadályozzák meg a csúszást (maradó alakváltozást); A gyakorlatban használt fémek szilárd oldatai képlékenyen jól alakíthatóak, szilárdabb anyagok, mint az a színfém, amelyikből keletkeznek! Atomerőművi anyagvizsgálatok 25/87

26 Fémtani alapfogalmak 13/15 Fémvegyületek: Ha az alapfém és az ötvöző rácsszerkezete nem egyezik meg, akkor fémvegyület jön létre az ötvözés során; Ilyenkor az alapfém és az ötvöző kémiai kapcsolatba lép egymással a közöttük meglévő nagy kémiai affinitás miatt; A fémvegyületekben az atomok között fémes kötés van, ezért a kémiai vegyületektől eltérő a tulajdonságuk: fémes fényűek, a villamos áramot és hőt jól vezetik! Szerkezete: a fémvegyületek krisztallitjai színfémbe vagy szilárd oldatba ágyazódva fordulnak elő! Szerkezetük bonyolult ezért bennük csúszások nem jöhetnek létre ált. képlékenyen nem alakíthatóak, ridegek, törékenyek, igen kemények! Pl.: vörös iszap vagy a Fe 3 C vaskarbid ami ált. nemkívánatos szövetszerkezetet képez a vas-szén ötvözet rendszerben. Tisztán fémvegyületből álló ötvözetet az iparban ált. nem alkalmaznak! Atomerőművi anyagvizsgálatok 26/87

27 Fémtani alapfogalmak 14/15 Az ötvözetek csoportosíthatóak szerkezetük szerint: 1.Az egyféle krisztallitokból álló ötvözeteket egynemő (homogén) ötvözeteknek nevezzük. A szilárd oldatok egynemő felépítéső, homogén szerkezető ötvözetek! Lásd 11. ábra a) 2.Ha az ötvözet fémvegyületet alkot, vagy külön kristályosodik, akkor az ötvözetben már kétféle krisztalit lesz. Ezeknek az ötvözeteknek a szerkezete heterogén, nem egynemő! A homogén ötvözetekben nincs jelen kétféle, két különbözı potenciálú anyag nem jöhet létre elektrokémiai korrózió! Ezért a korrózióálló (rozsdamentes, saválló) ötvözeteknél fontos, hogy homogén ötvözetek legyenek ált. szilárd oldatok! Atomerőművi anyagvizsgálatok 27/87

28 Fémtani alapfogalmak 15/15 Eutektikum (jól olvadó): A fémekben bizonyos feltételek (koncentrációk) mellett előforduló szövetszerkezet, amiben az alapfém és az ötvöző korlátoltan oldja egymást. Azt az ötvözetet, ahol az egyensúlyi digramon az olvadási vonal érintkezik a dermedési vonallal, eutektikus (jól olvadó) ötvözetnek nevezzük! Alacsony olvadáspontjuk miatt, különösen alkalmasak öntvények készítésére! Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik! Atomerőművi anyagvizsgálatok 28/87

29 Színfémek és ötvözetek egyensúlyi lehűlése Atomerőművi anyagvizsgálatok 29/87

30 Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás) F + Sz = K + 1. K = 1 1. Szakasz F=1 olvadék Sz =1 T változhat 2. Szakasz F=2 olvadék + szilárd Sz= 0 T = constans 3. Szakasz F=1 szilárd Sz=1 T változhat 1. szakasz 2. szakasz 3. szakasz. Az ábrán látható dt hőmérsékletkülönbség a kristályosodás megindításához kell! Atomerőművi anyagvizsgálatok 30/87

31 Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás) Egyszerősített lehőlési görbe Atomerőművi anyagvizsgálatok 31/87

32 Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás) Pl.: Réz (Cu) Olvadás/dermedés: az anyag hımérséklete a közölt hı ellenére sem változik. A közölt hı ekkor a kristályrács lerombolására/felépítésér fordítódik A színfémek olvadáspontjának és dermedéspontjának hımérséklete azonos! Az olvadásponton vagy az annál magasabb hımérsékleten az anyag folyékony halmazállapotú A dermedésponton vagy az annál alacsonyabb hımérsékleten az anyag szilárd halmazállapotú Atomerőművi anyagvizsgálatok 32/87

33 Színfém hevítési és lehűlési görbéje (Fe-allotróp átalakulás van ) A melegítés hatására bekövetkezı hımérséklet-növekedés nem folyamatos, mert közben változik az anyag szerkezete és ez energiát igényel (allotróp átalakulás/olvadás)! T o Fe.. Az atomok rendezetlen állapotban végeznek hımozgás= cseppfolyós halmazállapot Az atomok rendezett állapotban (kristályrácsban) végeznek hımozgást = szilárd halmazállapot Felmelegítési görbe Lehőlési görbe Atomerőművi anyagvizsgálatok 33/87

34 Színfém lehűlési görbéje A kristályosodás folyamata A szilárd fémek szabálytalan alakú kristályokból, krisztallitokból épülnek fel! Az atomok hımozgásának energiája < az atomok közötti vonzóerı Az elemi kristályok a kristályosodási központok, belılük indul ki a kristályosodás! A kristályok kezdetben egymástól függetlenül, szabályosan fejlıdnek, majd összeérnek és akadályozzák egymás növekedését. Így szabálytalan kristályok jönnek létre! Atomerőművi anyagvizsgálatok 34/87

35 A krisztallitok vizsgálata A krisztallitok a fém felületének megfelelı elıkészítése után, fémmikroszkóp segítségével, 100-szoros nagyítás mellett már látható, fényképezhetı. A krisztallitok szövetszerően nınek egymáshoz szövetszerkezet (szemcseszerkezet) elnevezés Atomerőművi anyagvizsgálatok 35/87

36 A megszilárduláskor keletkező szemcseméret és hatása az anyag tulajdonságaira Ha a folyékony fém lassan hől, benne kevés kristályosodási központ keletkezik és kevés helyen indul meg a kristályosodás a krisztallitok nagyra nınek, durva szemcseszerkezet alakul ki. Ha a folyékony fém gyorsan hől, benne sok kristályosodási központ keletkezik és sok helyen indul meg a kristályosodás a krisztallitok kicsik maradnak, finom szemcseszerkezet alakul ki. A durva szövetszerkezet általában káros, mert a durva szövetszerkezető fémek ridegek, könnyen törnek! A finom szövetszerkezet általában hasznos, mert a finom szövetszerkezető fémek szívósak, nagy képlékeny alakváltozás után törnek! Atomerőművi anyagvizsgálatok 36/87

37 A megszilárduláskor keletkező szemcseméret és hatása az anyag tulajdonságaira Öntés után általában az öntvény lassan hől, szövetszerkezete durva lesz. A durva szövetszerkezető öntvényeknél olyan eljárást alkalmaznak, amely szerkezetüket finomabbá alakítja. Ezt az eljárást hıkezelésnek nevezik a továbbiakban nem foglalkozunk a hıkezelésekkel Atomerőművi anyagvizsgálatok 37/87

38 A krisztallitok vizsgálata A metallográfiai vizsgálatokkal a fémek és ötvözeteik krisztallitos szerkezetét, szemcseszerkezetét vizsgálják. Ezeknek a vizsgálatoknak két nagy csoportja van: Célja: Mikroszkópos ( szeres nagyítás); és makroszkópos (szemmel vagy szoros nagyítóval). eldönteni, hogy adott anyag, adott célra alkalmas-e, illetve anyaghibák feltárására Atomerőművi anyagvizsgálatok 38/87

39 A szilárd oldatok Atomerőművi anyagvizsgálatok 39/87

40 Ötvözet lehűlési görbéje F + Sz = K + 1 K= 2 A és B 1. Szakasz F=1 Sz=2 T és c változhat 2. Szakasz F = 2 Sz = 1 T változhat 3. Szakasz F = 1 Sz = 2 T és c változhat 1. szakasz 2. szakasz 3. szakasz Ötvözetek olvadáspontjának hımérséklete nem egyezik meg a dermedéspont hımérsékletével. Olvadásuk és megszilárdulásuk nem egy hımérsékleten, hanem két hımérsékleti érték között következik be Atomerőművi anyagvizsgálatok 40/87

41 Kétalkotós egyensúlyi diagramok A fémek és ötvözeteik viselkedésének vizsgálata a lehűlési görbék segítségével megtehető. Két fém minden lehetséges összetételét egyensúlyi diagramon vagy állapot ábrán lehet bemutatni, ahol az egyensúlyi diagram vízszintes tengelyén az A és B komponens összes lehetséges koncentrációi, függőleges tengelyén a hőmérséklet van feltüntetve Atomerőművi anyagvizsgálatok 41/87

42 Kétalkotós egyensúlyi diagramok Atomerőművi anyagvizsgálatok 42/87

43 Kétalkotós egyensúlyi diagramok Az egyensúlyi diagram vízszintes tengelye az alapvonal- koncentráció egyenes- hossza 100%-nakfelelmeg. Avonalegyikvégpontja A(100%A),a másik vég pontja a B(100% B) alkotónak felel meg. A közbenső pontok, A-tól B felé haladva a két alkotó %-át mutatják. A függőleges tengelyre a hőmérsékletet visszük fel Atomerőművi anyagvizsgálatok 43/87

44 Kétalkotós egyensúlyi diagramok szerkesztése Atomerőművi anyagvizsgálatok 44/87

45 Az egyensúlyi diagramok értelmezése Adott ötvözetben és adott hőmérsékleten az alábbi kérdéseket kell megválaszolni az egyensúlyi diagramok segítségével: milyen fázis, vagy fázisok találhatók milyen az adott fázis, vagy fázisok összetétele, koncentrációja mennyi a fázis, vagy fázisok mennyisége Atomerőművi anyagvizsgálatok 45/87

46 Az egyensúlyi diagramok értelmezése Homogén, egyfázisú területen az ötvözetet egy pont, a hőmérsékleti izoterma és az ötvözetjelző metszéspontja jellemzi! Atomerőművi anyagvizsgálatok 46/87

47 Konóda Az ötvözetet a hőmérséklet jelző izotermának a likvidusz és szolidusz vonallal határolt részén az un konóda jellemzi Atomerőművi anyagvizsgálatok 47/87

48 Koncentráció szabály A koncentráció szabály, a likvidusz és a konóda metszéspontja a koncentráció egyenesre vetítve az olvadék fázis, a szolidusz és a konóda metszéspontja pedig a szilárd fázis összetételétadja meg Atomerőművi anyagvizsgálatok 48/87

49 Emelőszabály A fázisok mennyiségének meghatározását teszi lehetővé Az olvadék mennyisége x = c c + d c x = d + c A szilárd fázis mennyisége 1 x = c d + Az emelő szabály a fordított karok szabálya Atomerőművi anyagvizsgálatok 49/87 d

50 Fázisdiagram T 2 hőmérsékletre De a gyakorlat nem ilyen egyszerű, mert a komponensek nem feltétlen oldják egymást korlátlanul Vagyis eutektikus rendszereket is képeznek! Atomerőművi anyagvizsgálatok 50/87

51 Az egyensúlyi diagramok fajtái 1., Ha az ötvözet szilárd állapotban korlátlanul oldódik: Megszilárduláskor kizárólag szilárd oldat keletkezik; A likvidusz és szolidusz egyaránt görbe; Az olvadási és dermedési hımérséklet minden koncentráción különbözik a likvidusz és szolidusz nem érintkezik! Minden összetételnél található pépes (szilárd oldat + olvadék) állapot! Atomerőművi anyagvizsgálatok 51/87

52 Az egyensúlyi diagramok fajtái 1., Ha az ötvözet szilárd állapotban nem oldódik: Csak az olvadási vonal görbe, a dermedési vonal egyenes; Van olyan összetétel, ahol a szolidusz és likvidusz találkozik To=Td ilyenkor az ötvözet úgy szilárdul meg, mint a színfémek; Ekkor lehőlés közben nincs pépes állapot! C o Sn100% 0% % Bi100% Atomerőművi anyagvizsgálatok 52/87

53 Az egyensúlyi diagramok fajtái 1., Ötvözet szilárd állapotban korlátoltan oldódik pl.: Al-Cu Az Al szilárd állapotban csak korlátozottan oldja a Cu-t; Csak egy meghatározott Cu %-ig (5,6% E ) keletkezik dermedéskor szilárd oldat eddig görbe a szolidusz; 5,6 Cu% alatt a szilárd oldatban hőléskor csökken a Cu oldó képesség a telített szilárd oldatból a Cu fémvegyület formájában válik ki (CuAl2); Az Al Cu oldó képessége 25 C-on már csak 0,5% ( S )! Ha Cu%>5,6% fémvegyület: kevés szilárd oldat + CuAl2; A fémvegyület kiválása a szilárd oldatból az ES vonal mentén! Ez egy melegítés hatására megfordítható folyamat! a szilárd oldat jobban alakítható képlékenyen meleg hengerlés pl.! Atomerőművi anyagvizsgálatok 53/87

54 Fémtani alapfogalmak 15/15 Eutektikum: A fémekben bizonyos feltételek mellett előforduló szövetszerkezet, amiben az alapfém és az ötvöző (nem csak fém, pl. C- szén) korlátoltan oldja egymást Atomerőművi anyagvizsgálatok 54/87

55 Eutektikum képződés Az eutektikum két likvidusz metszéspontjának megfelelő összetételnél képződik, állandó hőmérsékleten. Általános egyenlete: Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik! olvadék szilárd 1 + szilárd Atomerőművi anyagvizsgálatok 55/87

56 Sn-Pb Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik! Atomerőművi anyagvizsgálatok 56/87

57 Két szilárdoldat eutektikus rendszere (Tamman 7.) Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik! Azt a diagramot, amely szerint az ötvözetek szövetösszetétele és a szövetelemek mennyisége meghatározható, szövetdiagramnak nevezzük Atomerőművi anyagvizsgálatok 57/87

58 Vas-karbon ötvözetrendszer Atomerőművi anyagvizsgálatok 58/87

59 A vas 1. A vas a fémek többségéhez hasonlóan elemi állapotban nem található meg a Föld kérgében. A földkéreg mintegy 4,7%-át vas alkotja, több mint száz vasásvány formájában. A vas ércásványai közül legfontosabbak az oxidok, pl: a magnetit (mágnesvasérc), a hematit (vörösvasérc), a limonit (barnavasérc) a karbonát alapú sziderit (vaspát) Atomerőművi anyagvizsgálatok 59/156

60 A vas 2. A vasat az ércből úgy állítják elő, hogy az ércet redukálják, azaz oxigéntartalmát eltávolítják. A redukciót szénnel és szén-monoxiddal valósítják meg nagyolvasztó kohókban nyersvasgyártás. A folyékony vas jól oldja a szenet (jól ötvöződik vele), a nyersvasnak olyan magas a karbontartalma, hogy képlékenyen nem alakítható Atomerőművi anyagvizsgálatok 60/156

61 Vas-Karbon diagram (Heyn-Charpy féle iker diagram) ausztenit Olv.+cementit A vas-vaskarbid (folyamatos vonal)és a vas-grafit (szaggatott vonal) Ausztenit + olv. ausztenit GSE A3 & Acm felsı átalakulási vonal, felette nincs allotróp átalakulás! Ferrit+Fe 3 C = Perlit PSK A1 alsó átalakulási vonal, alatti nincs allotróp átalakulás! Atomerőművi anyagvizsgálatok 61/87

62 Eltérések az eddig tárgyalt diagramokhoz képest a diagramot csak 6,67 C %-ig ábrázolják, bizonyos vonalak folyamatos, és szaggatott vonallal is fel vannak tüntetve Atomerőművi anyagvizsgálatok 62/87

63 Az eltérések oka 1 A 6,67 % C-nál nagyobb C tartalmú ötvözetekre semmilyen megbízható adatunk nincs, de ezeknek nincs is gyakorlati jelentősége. A diagramban a 6.67 C %-nál látott függőleges vonal a Fe 3 C interszticiós vegyületnek felel meg! Atomerőművi anyagvizsgálatok 63/87

64 Az eltérések oka 2 A karbona vasötvözetekben kétféle alakban jelenik meg, mint elemi karbon vagy grafit, és kötött formában, mint Fe 3 C, vaskarbid A vas-vaskarbid(folyamatos vonal) és a vasgrafit (szaggatott vonal)ötvözeteknek kétféle diagramjuk van. A két diagramnak egy koordináta rendszerben való ábrázolása Heyn- Charpy nevéhez fűződik, ezért nevezzük a diagramot Heyn-Charpy féle iker diagramnak Atomerőművi anyagvizsgálatok 64/87

65 Heyn -Charpy féle ikerdiagram A két diagram közül természetesen csak az egyik felelhet meg az egyensúlyi állapotnak! Melyik a stabil? már 700 C felett megfigyelhető a Fe 3 C felbomlása Fe 3 C 3 Fe + C a grafitos (szaggatott) vonalak a magasabb hőmérsékleteken haladnak Atomerőművi anyagvizsgálatok 65/87

66 Tehát A vas-grafit (Fe -C) rendszer a stabil (szaggatott vonalak) Az Fe -Fe 3 C rendszer a metastabil (folyamatos vonalak) Atomerőművi anyagvizsgálatok 66/87

67 A vasötvözetek csoportosítása Töretükalapján a grafitos ötvözetek, mindig a kis szilárdságú grafit mentén törnek, így töretük a grafit hatására szürke. A vaskarbidot tartalmazó ötvözetek törete fémes, tehát fehér Atomerőművi anyagvizsgálatok 67/87

68 Vasötvözetek kristályosodásának vizsgálata Fe-Fe 3 C rendszer Atomerőművi anyagvizsgálatok 68/87

69 A Fe-Fe 3 C ötvözetek diagramja A karbidos rendszer esetében olyan egyensúlyi diagramról van szó, ahol az egyik komponens a szín vas, a másik pedig a vaskarbid. A diagram koncentráció egyenesén megállapodás szerint a C %-át tüntetjük fel. A rendszer első függőlegese a szín vas lehűlési görbéjének pontjait mutatja, és a diagramot a Fe 3 C függőlegeséig ábrázoljuk Atomerőművi anyagvizsgálatok 69/87

70 Fe -Fe 3 C rendszer Eddig megismert egyensúlyi diagramok alapján a karbidos rendszerről megállapíthatjuk, hogy az alkotók folyékony állapotban minden arányban, szilárd állapotban pedig korlátozottan oldják egymást vagyis szilárd eutektikus rendszert alkotnak! Atomerőművi anyagvizsgálatok 70/87

71 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram Kristályosodás az BC likvidusz szerint Elhanyagoljuk: Csak alacsony C%- nál van jelentısége! Az AB likvidusz elhanyagolásával egészen 2 % C-ig a kristályosodásabc likviduszés a JE szolidusz szerint γ szilárd oldat formájában történik. Ezt a szilárd oldatot Robert Austenről, ausztenitnek nevezik Atomerőművi anyagvizsgálatok 71/87

72 Az ausztenit Az ausztenit -interszticiós szilárd oldat (A lapközepes köbös rácsú γfe-ban oldott C) Korlátozottan oldja a karbont, maximális C oldó képessége 2,06% (1147 C -on, minimális 0,8% (723 C -on) Atomerőművi anyagvizsgálatok 72/87

73 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram Kristályosodás az CD likvidusz szerint A nagy C tartalmú ötvözetek kristályosodása Fe 3 C kristályosodásával (szövetelemi neve cementit) kezdődik a CD likvidusz és a CF szolidusz szerint Atomerőművi anyagvizsgálatok 73/87

74 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram: Eutektikum kristályosodása A C pontban metszi egymást a két likvidusz, tehát eutektikus kristályosodás jön létre. Az eutektikum 1147 C (ECF vonal) képződik: olvadék C(4,3%) γ E(2,06%) + Fe 3 C (6,67%) Az eutektikum neve Ledebur angol tudós nyomán ledeburit! Atomerőművi anyagvizsgálatok 74/87

75 A ledeburit 1147 C -on képződik 4,3 %C olvadékból. Fázisai a képződés hőmérsékletén : ausztenit és vaskarbid Atomerőművi anyagvizsgálatok 75/87

76 A ledeburit 1147 C -on képződik 4,3 %C olvadékból. Fázisai : ausztenit és vaskarbid. Az ausztenit szekunder cemenetit kiválás után perlitté alakul Kemény, rideg, kopásálló Az ausztenitbıl képzıdött perlit vaskarbid Atomerőművi anyagvizsgálatok 76/87

77 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások Az ausztenit -interszticiós szilárd oldat - korlátozottan oldja a karbont, maximális C oldó képessége 2,06% (E). Az ausztenit korlátozott karbonoldóképességének vonala az SE, az oldhatatlanná váló C e vonal menténfe 3 C II formájában válik ki Atomerőművi anyagvizsgálatok 77/87

78 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások Szekunder cementit Atomerőművi anyagvizsgálatok 78/87

79 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások Allotróp átalakulás a lapközepes köbös γ ausztenita szín vas A 3 pontjából kiinduló GS kezdő és GP befejező görbék által meghatározott hőmérséklet közben térközepes köbös α szilárdoldattá, szövetelemi nevén ferritté alakul Atomerőművi anyagvizsgálatok 79/87

80 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások A ferrit αszilárd oldat, térközepes köbös rácsú α-fe-ban intersztíciósan oldott C. Maximális C oldóképessége 723 C -on 0,025 % (P pont) minimális szobahőmérsékleten 0,006 % (Q pont) Atomerőművi anyagvizsgálatok 80/87

81 Fe-Fe 3 C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások Eutektoidos folyamat Az Spontban metszi egymást az allotróp átalakulás kezdő(gs) és a korlátozott oldóképesség (ES) vonala. F =3, ezek a l.k.k. rácsú γ, a keletkező t.k.k. rácsú αés a Fe 3 C. F = 3 esetén Sz = 0, tehát a folyamatnak állandó hőmérsékleten kell lejátszódni Atomerőművi anyagvizsgálatok 81/87

82 Eutektoidos folyamat Az eutektoidos folyamat 723 C -on a PSK vonalon játszódik le az alábbi módon: γ S(0,8%) α P(0,025%) + Fe 3 C A keletkező kétfázisú szövetelemet (eutektoidot) perlitnek nevezzük Atomerőművi anyagvizsgálatok 82/87

83 Perlit A keletkező perlit kétfázisú szövetelem, eutektoid 723 C -on képződik γ S(0,8%) α P(0,025%) +Fe 3 C Atomerőművi anyagvizsgálatok 83/87

84 A vasötvözeteket a diagram alapján csoportosíthatjuk 2,06% karbon tartalomig acélokról, az annál nagyobb karbon tartalom esetén nyersvasakról, vagy öntöttvasakról beszélünk. Az ötvözeteket tovább az eutektikus és az eutektoidos ponthoz képesti helyzetük szerint osztályozzuk: A C<0,8 %-nál acélok hipoeutektoidos, ha C>0,8 % hipereutektoidos acélok, C < 4,3 %-nál öntöttvasakat hipoeutektikus, a C>4,3 % hipereutektikus öntöttvasaknak Atomerőművi anyagvizsgálatok 84/87

85 Atomerőművi anyagvizsgálatok 85/87

86 Vége a negyedik előadásnak Atomerőművi anyagvizsgálatok 86/87

87 Az 5-6. előadás tartalma 1. A szerkezeti anyagok fizikai tulajdonságai: 1. Mechanikai; 2. Termikus; 3. Elektromos, mágneses; 4. Akusztikus; 5. Optikai; 6. Sugárfizikai. 2. Az anyagvizsgálatok célja, osztályozása; 1. A roncsolásos anyagvizsgálatok; 2. A roncsolásmentes anyagvizsgálatok Atomerőművi anyagvizsgálatok 87/87