1 A fémek és ötvözetek kristályosodása

Átírás

1 1 A fémek és ötvözetek kristályosodása A fémek, ötvözetek atomjai olvadt állapotaikban a rövidtávú rendezettség állapotában találhatók; az atomokra nem hatnak az azokat rácspontokba rögzítő atomos kötőerők, mert az atomok mozgási energiája nagyobb, azaz legyőzi a rácspontokba rögzítő atomos kötőerőt. Az olvadt állapotú fémet, ötvözetet ömledéknek nevezzük; a fém olvadt állapotban, úgynevezett megömlött formában található. A fémek, ötvözetek kristályosodása, dermedése úgy megy végbe, hogy amikor az ömlött fém hőmérséklete hőelvonás következtében lecsökken az olvadáspont hőmérsékletére, a fém atomjainak az energiája, energia-szintje lecsökken annyira, hogy a megömlött fémben össze-vissza, véletlenszerű elhelyezkedésben az atomokra elkezdenek hatni az atomos kötőerők, ezért az ömlött fémbe az említett atomcsoportosulásokból, kristályosodási középpontok (kristálygócok, kristálycsírák) keletkeznek. Ezekhez a kristálycsírákhoz kapcsolódnak a megömlött fém még rövidtávú rendezettség állapotában lévő atomok, és kialakulnak az egyes szemcsék (krisztallitok). Mivel általában minden kristályosodási középpont elemi celláinak az elhelyezkedése (orientációja) eltérő, ezért ezek növekedése folytán (kristályosodás során) egy zegzugos határfelületű szemcsehatárok állat határolt sokszemcsés (sokkrisztallitos polikrisztallin) fém, illetve ötvözet keletkezik. 1. ábra Kristályosodás folyamata A fémeknek, ötvözeteknek azt a tulajdonságát, hogy bennük ömlött állapotban kristályosodási középpontok keletkeznek kristályosodási képességnek nevezzük. A kristályosodási képesség mértékegysége az időegység alatt térfogategységben keletkező csírák száma. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 1

2 A kristályosodási képesség jele: Kristályosodási képesség függ: [ ] a túlhűtés mértékétől (a túlhűtés mértéke azt mutatja meg, hogy mennyire hűtöttük túl az olvadáspont hőmérséklete alá), valamint a hűtés sebességétől (lassú, vagy gyors). 2. ábra Kristályosodási sebességen a kristálycsírák lineáris növekedési ütemét étjük. A kristályosodási sebesség jele: [ ] [ ] [ ] 3. ábra A kristályosodási sebességet a hűtés gyorsasága nem befolyásolja, csak a túlhűtés mértéke. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 2

3 1.1 Lehűlési görbe A lehűlési görbét általában az ömlött állapotú fém termikus analíziséhez használja, ahhoz vesszük fel. A lehűlési görbe felvétele úgy történik, hogy egy valamilyen edényben (általában hőálló, vagy tűzálló tégelyben) helyezi a fémet, majd ezzel együtt egy olvasztásra alkalmas hevítő-berendezésbe (általában kemencébe) teszik, és ott hőn tartják addig, amíg a fém, illetve az ötvözet a kívánt hőmérsékletet el nem érte. Ezután a fémet, illetve az ötvözetet tégelyestől kiteszik szabad levegőre, vagy a kemencével együtt hagyják lehűlni. Az ilyen formában felhevített, az általában megolvadt fémbe, vagy ötvözetbe egy hőmérőt merítenek, úgy hogy a hőmérő érzékelője a fém, illetve az ötvözet közepén helyezkedjen el, és a hűlés közben mérik a hőmérsékletet. A hűlésgörbe nem más, mint a fém, illetve az ötvözet hőmérsékletének a változása az idő függvényében A hűlő fém, vagy ötvözet hőmérséklet változását leíró egyenlet: ( ) Differenciálisan kicsiny mennyiségnek választjuk: Az egyenlet átrendezését követően: Az egyenlet átrendezését követően: ( ) ( ) Integráljuk a két oldalt: Az integrálást elvégezve: [ ( )] [ ] A zárójelet felbontva: ( ) ( ) Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 3

4 Az egyenlet átrendezését követően: ( ) ( ) Az egyenlet átrendezését követően: Az egyenlet átrendezését követően: Az egyenlet átrendezését követően: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) c: fém, illetve ötvözet fajhője m: fém, illetve ötvözet tömege T: hőmérséklet különbség α: hőátadási tényező A: hőátadó felület T: pillanatnyi hőmérséklete a fémnek Tk: környezet hőmérséklete t: azaz időtartam, amíg a hőmennyiséget átadja a környezetének 2 Rendszer, fázis, egyensúly 2.1 Rendszer 4. ábra Rendszernek nevezzük a térnek valós, vagy képzelt elhatárolt részét, ahol a lejátszódó folyamatokat megfigyelni, vizsgálni, elemezni, befolyásolni tudjuk. Rendszer lehet egyalkotós, egy fázisú (homogén), vagy többalkotós, több fázisú (heterogén). Egyalkotós a rendszer, ha egyféle elem, vagy egy anyag alkotja. Többalkotós a rendszer, ha kettő, vagy több elem, illetve kettő, vagy többféle anyag alkotja. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 4

5 2.2 Fázis Fázisnak nevezzük a rendszernek határfelületekkel elválasztott részei, melynek tulajdonságaiban ugrásszerű változás nincs, és fizikailag elkülöníthetők. Fázisok lehetnek: Különféle halmazállapotok: - gáznemű - folyékony - szilárd: 2.3 Egyensúly: színfémek szilárdoldatok fémes vegyületek különféle allotrop módosulatok Egy rendszer egyensúlyban van, ha a környezetéhez képest a legkisebb energiaszinten van; belőle fázis nem tűnik el, benne fázis nem keletkezik. Az egyensúlyban lévő rendszerekre érvényes a Gibbs-féle fázisszabály (általános esetben így szól): Fémek, ötvözetek esetén mivel a fémek, ötvözetek ötvözését általában atmoszférikus nyomáson végezzük, és az olvadt fémek, ötvözetek gőznyomása elhanyagolhatóan kicsi, ezért a Gibbs-féle fázisszabály -re modusul. Szabadsági fokok fogalmán az állapottényezők azon számát értjük, amelyeket szabadon változtathatunk anélkül, hogy a rendszer egyensúlya megváltozna, megbomlana. Megváltozik a rendszer egyensúlya, ha benne új fázis(ok) keletkeznek, vagy belőle fázis(ok) tűnnek el. Állapothatározok fogalmán azokat a tényezőket értjük, amelyek a rendszer állapotát meghatározzák. Ezek: a hőmérséklet, a nyomás, a koncentráció (összetétel). Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 5

6 2.3.1 A Gibbs-féle fázisszabály alkalmazási példái különféle általános rendszer esetén a) Egy edény (pohár) víz Fázisok száma: folyékony halmazállapot A komponensek (alkotók) száma: csak víz állapottényező változtatható b) Egy edény víz, amely gőzölög Fázisok száma: folyékony és gáznemű halmazállapot A komponensek (alkotók) száma: csak víz állapottényező változtatható c) Egy edény víz, amelyben jégdarabok úszkálnak Fázisok száma: folyékony és gáznemű halmazállapot A komponensek (alkotók) száma: csak víz állapottényező változtatható d) Egy edény víz, amelyben jégdarabok úszkálnak és gőzölög Fázisok száma: : folyékony és gáznemű halmazállapot A komponensek (alkotók) száma: csak víz nem változtathatók az állapottényezők, mert a rendszerből különben minimum 1 fázis eltűnik ( ) 5. ábra Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 6

7 3 Ötvözet fogalma és fajtái: Ötvözeten olyan látszatra egynemű fémtulajdonságú anyagot értünk, amelyet két, vagy több fém, illetve két, vagy több fém és félfém (metalloid), vagy két, vagy több fém és nem fém egyesítése, összeolvasztása, illetve egymásba történő oldása útján nyerünk. Ötvözetben az alkotók az alábbi formákban lehetnek jelen: színfém szilárdoldat fémes vegyület eutektikum eutektoid 3.1 Színfém A színfém szemcséit (krisztallitjait) alkotó rácsszerkezet (kristályrács) rácspontjain azonos elem atomjai helyezkednek el. Jellemző rá, hogy egy hőmérsékleten olvadnak, illetve dermednek meg. Mechanikai tulajdonságaik általában a rácsszerkezeteiktől, illetve az atomfelépítésüktől függenek. A színfémek mechanikai tulajdonságaik puhák, lágyak, jól alakíthatók. 6. ábra Lehűlési görbéik ideális alakja egyensúlyi lehűlés esetén A színfémet általában vegyjeleikkel, vagy latin ABC nagybetűivel jelölik. 3.2 Szilárdoldat Szilárdoldat az ötvözeteknek azon fajtáit képezik, amelyeknek a szemcséit (krisztallitjait) felépítő rácsszerkezetben (kristályrácsban) megtalálható az oldó és az oldott elem atomjai, és a szilárd oldatok rácsszerkezete megegyezik egyik, vagy másik, vagy mindkét alkotó Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 7

8 rácsszerkezetével. A szilárdoldatra jellemző, hogy mechanikai tulajdonság jellemzőik közül a szilárdsági jellemzők viszonylag alacsonyak, tehát puhák, lágyak. Képlékenységi jellemzőik viszont kedvezők, mivel képlékenyen jól alakíthatók. Jellemzőjük, hogy a színfémektől eltérően nem egy hőmérsékleten, hanem hőmérséklet közben olvadnak, dermednek meg. Fajtái: Helyettesítéses, vagy szubsztitúciós szilárdoldat Közbeékelődéses, vagy intersticiós szilárdoldat Szubsztitúciós szilárdoldat képződésének a feltételei azonos rácsszerkezet atomsugarak eltérése 15%-nál nem lehet nagyobb azonos vegyérték, azonos számú szabadelektront adjanak a közös elektronfelhőbe az elektrokémiai sorba közel helyezkedjenek el egymáshoz, hogy fémes vegyületet ne képezzenek. Ha mind a négy feltétel teljesül, akkora korlátlan oldódásról beszélünk, azaz az egyik elem atomjai a másik elem atomjai szinte teljesen kicserélhetők. 1. táblázat 7. ábra A két fém, vegyértékük és rácsszerkezetűk Ag (I. l.k.k) Au (I. l.k.k) Ni (II. l.k.k) K (I. Cr (I. Mo (I. Mo (I. Cr (I. W (I. Mg (II. hex.) Au (I. l.k.k) Ni (II. l.k.k) Au (I. l.k.k) Cu (I. l.k.k) Pt (II. l.k.k) Rb (I. Mo (I. W (I. Nb (I. V (I. V (I. Cd (II. hex.) Ni (II. l.k.k) Pd (0. l.k.k) Az atomsugarak különbsége (Δr) [%] 0,3 16,3 14,2 12,8 11,4 0,45 6,7 6,7 5,1 10,87 19,6 13 Az oldódás mértéke Korlátlan Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 8

9 3.2.2 Intersticiós szilárdoldat Ezek olyan szilárdoldatok, ahol az oldott elem a rácshézagokban helyezkedik el úgy, hogy az oldó fém rácsszerkezete megmarad. Intersticiós szilárdoldat képződésének feltételei: az oldott (közbeékelődő) elem atomsugara kisebb legyen, mint 10-7 mm Hidrogén: Oxigén: Nitrogén: Karbon: Bór: Az intersticiós szilárdoldatnál korlátlan oldódás nem lehetséges, mert olyan rács nincs, amely csak hézagokból állna. Pl.: vas-karbon ötvözet szilárdoldatai közül mindhárom az A szilárdoldatra jellemző, hogy mechanikai tulajdonság jellemzői közül a szilárdsági jellemzőik viszonylag kicsik, tehát puhák, lágyak. Képlékenységi jellemzőik viszont nagyok, mivel képlékenyen jól alakíthatók. 8. ábra Lehűlési görbéik ideális alakja egyensúlyi hűtés esetén A szilárdoldatokat a görög ABC kisbetűivel jelöljük. A szilárdoldatokra jellemző, hogy a színfémektől eltérően nem egy hőmérsékleten, hanem hőmérséklet közben olvadnak, dermednek meg. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 9

10 3.3 Fémes vegyületek Az ötvözetek azon fajtája, amelyeknél a szemcséket (krisztallitokat) alkotó fémes vegyület-rácsszerkezete eltér, különbözik az alkotó elemek rácsszerkezetétől. A fémes vegyületek megnevezés egyes vegyületekre nem kifejezetten helyes, mert bizonyos fémes vegyületek nem kifejezetten fémesen viselkednek, ezért az intermetallikus, vagy köztes vegyület lenne a helyesebb, de a nemzetközi meghatározásban fémes vegyület honosodott meg, ezért mi is a fémes vegyület elnevezést használjuk. Fajtái: ionvegyületek elektronvegyületek intersticiós vegyületek Ionvegyületek olyan elempárok között jönnek létre, amelyeknek külső elektronhéján egy, vagy két elektron kering; illetve egy, vagy két elektron hiányzik ahhoz, hogy a külső elektronhéj telített legyen. Így amelyiknek a külső elektronhéján egy-két elektron kering, az átadja a szabad elektronjait annak az elem atomjának, amelynek a külső elektronhéján egy-két elektron hiányzik a héj telítettségéhez, így a rácspontokon pozitív töltésű ionok és negatív töltésű ionok között kialakuló ionos kötés következtében ionvegyület keletkezik. Mindezek erősen fémes természetű fémek (Mg), illetve átmeneti fémek (Fe) és a nem fémes, illetve metalloid elemek között alakulnak ki. Az ionvegyületek az alkotó elemek a vegyértéküknek megfelelő arányban egyesülnek. A vegyület állandó természetű fázisainak köszönhetően az alkotó elemek alig, vagy egyáltalán nem oldják egymást ezért a vegyület összetétele állandónak tekinthető, nehezen olvadnak meg, illetve nagy keménység jellemzi őket. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 10

11 9. ábra 2. táblázat Fontosabb ionvegyületek Rácstípus NaCl szabályos rendszer CaF2 szabályos rendszer ZnS szabályos rendszer NiAs hexagonális Megfelelő fémes vegyületek MgSe, CaSe, SrSe, BaSe, CaTe, SrTe, BaTe, MnSe, SnTe, PbSe, SnAs, SnSb Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se BeS, CdS, HgS, AlP, GaP, BeSe, ZnSe, CdSe, HgSe, AlAs, GaAs, BeTe, ZnTe, CdTe, HgTe, AlSb, GaSb, InSb CrS, CoS, FeS, NiS, CoSe, NiSe, FeSe, CrSe, CoTe, FeTe, NiTe, CrTe, MnTe, PdTe, PtTe, FeSn, NiSe, CoSb, FeSb, NiSb, MnSb, MnAs, NiAs, NiSi, CuSn Az elektronvegyületek nehezen olvadó egy vegyértékű fémek, illetve átmeneti fémek és könnyen olvadó fémek között alakulnak ki. Az elektronvegyületek összetételét nem az alkotóik kémiai vegyértéke, hanem a vegyületben résztvevő szabadelektronok és az atomok aránya határozza meg, hasonlóan mint, a szilárdoldatoknál. A szabadelektronok és az atomok aránya meghatározza a elektronvegyület rácsszerkezetét. Általában három fajta rácsszerkezetű elektron vegyületet különböztetünk meg, amelyeket β, γ és ε-nal is szokás jelölni. Ha a szabadelektron és atom arányt N:M-mel jelöljük akkor az N a szabadelektronok számára az M az atomok számára utal. A vegyület kevésbé állandó természetű fázisainak köszönhetően az alkotó elemek jelentős mértékben oldják egymást ezért a vegyület összetétele nem állandó, olvadáspontjuk rendszerint alacsonyabb a két alkotó olvadás pontjától, illetve az ionvegyületekhez képest kisebb keménységűek. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 11

12 A fázis jele Elektron:atom Rácsszerkezet 10. ábra 3. táblázat Néhány ötvözet rendszer elektronvegyülete β γ ε 150:100=3:2 162:100=21:13 175:100=7:4 szabályos térben szabályos komplex középpontos (52 atom/cella) hexagonális Cu-Zn rendszer CuZn Cu5Zn8 CuZn3 Ag-Zn rendszer AgZn Ag5Zn8 AgZn3 Ag-Cd rendszer AgCd Ag5Cd8 AgCd3 Ag-Al rendszer Ag3Al - Ag5Al3 Cu-Sn rendszer Cu5Sn Cu31Sn8 Cu3Sn Cu-Si rendszer Cu5Si Cu31Si8 Co * -Zn rendszer CoZn3 Co5Zn21 - Fe * -Zn rendszer Fe5Zn21 - Pt-Zn rendszer Pt5Zn21 *Az átmeneti fémek (Fe, Co) vegyértékét nullának tekintjük. Interszticiós vegyületek nagy atomátmérőjű fémes elemek és kis atomátmérőjű fémes és metalloid elemek között jönnek létre. Ha az atomsugarak hányadosa 1,7-nél nagyobb, akkor egyszerű interszticiós vegyületek keletkeznek, ha az atomsugarak hányadosa 1,7-nél kisebb, akkor komplex interszticiós vegyületek keletkeznek, olyan komplex vegyületek, amelyeknél egy kis atomátmérőjű elemhez két, vagy több nagyobb atomátmérőjű elem kapcsolódva hozza létre az interszticiós vegyületet. A vegyületet általában állandó természetű fázis jellemzi, de vannak köztük kevésbé állandó (metastabilis) természetű fázisok is (Fe3C). A vegyület alkotó elemei egyáltalán nem oldják egymást. Az interszticiós vegyületek nagyon kemények. Képleteik nem molekulát jelölnek, hanem az alkotók arányát adják meg. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 12

13 4. táblázat Néhány fontosabb interszticiós vegyület Hidridek (H) Oxidok (O) Nitridek (N) Karbidok (C) Boridok (B) UH Fe2O3 TiN TiC CrB Fe3O4 TaN TaC NiB Fe2N Fe4N AlN Fe3C WC W2C Cr23C6 (CrMn)23C6 Lehűlési görbéik ideális alakja: 11. ábra Nyílt maximumos vegyületképződés esetén 12. ábra Peritektikus reakció esetén Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 13

14 3.4 Eutektikum Az ötvözetek azon fajtája, ahol egy eutektikus összetételű ömledék egy hőmérsékleten a két alkotó apró szemcséinek (krisztallitjainak) elegyévé dermedő szemcsékké (krisztallitokká) alakulnak. Eutektikum: jól olvadót jelent. Az ötvözetrendszer legalacsonyabb olvadáspontú ötvözete. Kétfázisú szövetelem: ágyazó és ágyazott fázisokból áll. Fázisai lehetnek: - színfém színfém - színfém szilárdoldat - színfém fémes vegyület - szilárdoldat szilárdoldat - szilárdoldat fémes vegyület - fémes vegyület fémes vegyület Az eutektikumot alkotó szemcsék (krisztallitok) ágyazó fázisaiban az ágyazott fázis elhelyezkedhet: - szemcsés, pettyes, vagy gömbös alakban, - lemezes alakban, - tűs alakban, - rudas alakban. Emiatt az eutektikum is lehet: - szemcsés, pettyes, vagy gömbös alakban, - lemezes alakban, - tűs alakban, - rudas alakban Tulajdonságai: Mechanikai: az ágyazó és az ágyazott fázisok tulajdonságától függenek. Ha az eutektikum ágyazó és ágyazott fázisa puha, lágy, képlékenyen jól alakítható, az eutektikum is jól alakítható. Ha az eutektikum ágyazó fázisa puha, lágy, jól alakítható, az ágyazott fázis kemény, rideg, egyáltalán nem alakítható, az eutektikum csak részben alakítható. Ha az eutektikum ágyazó fázisa kemény, rideg, képlékenyen egyáltalán nem alakítható, az eutektikum sem alakítható. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 14

15 Lehűlési görbéik ideális alakja: 13. ábra Eutektikum egy hőmérsékleten olvad, illetve dermed meg a színfémekhez hasonlóan. 3.5 Eutektoid Az ötvözeteknek az a fajtája, amikor egy szilárd fázis az alkotó fázisok apró krisztallitjainak elegyévé alakul át egy hőmérsékleten; az eutektoidos átalakulás hőmérsékletén. Míg az eutektikumnál egy folyékony fázis (az ömledék) átalakul egy hőmérsékleten kettő szilárd fázissá, addig az eutektoid esetében egy szilárd fázis alakul egy hőmérsékleten két szilárd fázissá. Jellemzői hasonlóak az eutektikum jellemzőihez. Tulajdonsága: az eutektoid kétfázisú szövetelem. Mind az eutektikum, mind az eutektoid átalakulással keletkezik; mindkettő egy hőmérsékleten (más és más), mindkettő kétfázisú szövetelem. Lehűlési görbéjének, jellegzetes alakjának egy részlete: 14. ábra Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 15

16 4 Kétalkotós egyensúlyi diagramok származtatása, kezelése, kezelési szabálya 15. ábra Egyensúlyi diagramot (fázisdiagramok) azért nevezzük egyensúlyi diagramnak, mert a két alkotó minden lehetséges összetételű (koncentrációjú) ötvözetnek egyensúlyi hűtéssel felvett hűlésgörbéinek a töréspontjai alapján szerkesztették. Egyensúlyi diagram egyensúlyi hűtés, illetve hevítés esetén mutatja meg az ötvözet-rendszerben végbemenő, lejátszódó változásokat. Egyensúlyi hűtés fogalmán olyan végtelen lassú hűtést értünk, hogy a rendszer egyensúlyi módon hűl, a környezetéhez képest szinte alig hűl (majdhogynem nem is hűl, de azért mégis hűl). Egyensúlyi diagramok arra valók, hogy megvizsgáljuk, hogy egy adott összetételű (koncentrációjú) ötvözet-rendszerben: - hány fázis, - milyen fázis, - milyen koncentrációjú fázis, - milyen mennyiségben alkotja, valamint hőmérsékletváltozás hatására milyen változás következik be a fázisok számában, a fázisok milyenségében, a fázisok koncentrációjában (összetételében) és a fázisok mennyiségében. Ennek a vizsgálatnak az eszköze a termikus analízis. A termikus analízist az fázisdiagramban úgy végezzük, hogy megkeressük a hőmérsékletét és az ötvözet összetételét jelző vonal metszéspontját. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 16

17 Ha a metszéspont: - Egyfázisú mezőbe esik (nem teszünk semmit), a rendszert egy fázis alkotja; olyan fázis alkotja, amelynek a mezejébe esik az említett metszéspont. A fázis összetételét (koncentrációját) a metszéspont függőleges levetítése adja (meg kell egyezni az adott összetétellel). A rendszert alkotó egy fázis 1 100=100%-nyi mennyiségben alkotja a rendszert. - Kétfázisú mezőbe esik, akkor a ponton keresztül fázishatártól fázishatárig húzunk egy vízszintes izotermát konódát. A konóda végpontjainak száma megadja a rendszert alkotó fázisok számát. A fázisok milyenségét - hogy milyen fázishatárt metsz a konóda vége. A fázisok összetételeit (koncentrációit) - a konódának a fázishatárral vett metszéspontjának a függőleges levetítése adja. A fázisok mennyiségét - a fordított karok szabályával határozhatjuk meg. - Háromfázisú mezőbe esik, akkor a ponton keresztül (végig a vízszintes egyenesen) húzunk egy vízszintes izotermát, egy konódát A konódának a fázishatárokkal vett metszéspontjainak a száma megadja a fázisok számát. A fázisok milyenségét - olyan fázisok alkotják a rendszert, amilyen fázisok határait metszi a konóda. A fázisok összetételeit (koncentrációit) - a konódának a fázishatárokkal vett metszéspontjának a függőleges levetítése adja. A fázisok mennyiségeit háromfázisú rendszerben nem lehet meghatározni, mert időben állandóan változik. a) Egyfázisú rendszerben semmilyen minőségi és mennyiségi változás nem játszódik le, mert a rendszernek mindig egy fázisú, mindig ugyanaz a fázis, mindig ugyanolyan összetételben (koncentrációban) és mindig 100%-nyi mennyiségben alkotja. b) Kétfázisú rendszerben mindig kiválás játszódik le; az a fázis válik ki, amelynek a mennyisége növekszik, abból a fázisból, amelynek a mennyisége a hőmérsékletváltozás (csökkenés) hatására csökken. c) Háromfázisú rendszerben általában mindig egy hőmérsékleten átalakulás történik. Az átalakulása lehet: c.1. eutektikumos átalakulás, c.2. eutektoidos átalakulás, Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 17

18 c.3. peritektikus reakció, c.4. nyílt maximumos átalakulás Mivel a kétalkotós egyensúlyi diagramokat (fázisdiagramok) az egyensúlyi hűtéssel felvett hűlésgörbéik alapján azok töréspontjaiból szerkesztettük, ezért a kétalkotós egyensúlyi diagramok (fázisdiagramok) alapján visszafelé megszerkeszthető a lehűlési görbének az ideális alakja. Kétalkotós egyfázisú rendszerben a lehűlési görbe ideális alakja: 16. ábra Kétalkotós kétfázisú rendszerben a lehűlési görbe ideális alakja: 17. ábra Kétalkotós háromfázisú rendszerben a lehűlési görbe ideális alakja: 18. ábra Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 18

19 4.1 A fázisok mennyiségének meghatározása kétfázisú rendszerben 19. ábra Az ötvözet a%a+b%b és a tömege legyen 1kg. T hőmérsékleten az ötvözet egy része (x kg) folyékony halmazállapotú, másik része (1-x kg) szilárd halmazállapotú. ömledék+ szilárdoldat=1kg A folyékony fázis az ömledék koncentrációja: (( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( ) Az ömledék mennyisége: Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 19

20 A szilárd fázis az α szilárdoldat koncentrációja: A szilárd fázis mennyiség: (( ) ( ) ) Az szilárdoldat mennyiség: 5 Az egyensúlyi diagramok (fázisdiagram) különféle mezőinek felismerése I. Egyfázisú mezők 1. Ömledék: Az egyensúlyi diagramok (fázisdiagramok) legmagasabb hőmérsékletű azon területei, amelyeket alulról görbe, egyenes likvidusz, vagy likviduszágak határolnak. 2. Színfém: Az egyensúlyi diagramok (fázisdiagramok) egyik, vagy másik, vagy mindkét szélső koncentrációjánál (0%, 100%) lévő azon függőleges egyenesek, amelyekbe alulról vízszintes szolidusz, vagy vízszintes szolidusz jellegű vonalak csatlakoznak. (A függőleges egyenesként jelentkező fázismező végtelen kis koncentrációközű egyfázisú mezőnek tekintendők) 3. Szilárdoldat: Az egyensúlyi diagramok (fázisdiagramok) egyik, vagy másik, vagy mindkét szélső koncentrációjáig (0%; 100%) terjedő azon területek, amelyeket felülről görbe, egyenes, lejtős szolidusz, vagy szolidusz jellegű vonal(ak) határolnak, alulról semmi, vagy görbe, egyenes, lejtős likvidusz jellegű vonalak határolják. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 20

21 4. Fémes vegyület: a) az egyensúlyi diagramok (fázisdiagramok) függőleges egyenesei a két szélső koncentráció kivételével (0%; 100%), amely mellett nincs közvetlenül egyfázisú mező, (A függőleges egyenesként jelentkező fázismező végtelen kis koncentrációközű egyfázisú mezőnek tekintendők) b) illetve azon területek az egyensúlyi diagramokban, amelyek nem terjednek egyik szélső koncentrációig sem (0%; 100%), és felülről görbe, egyenes, lejtős szolidusz, vagy szolidusz jellegű vonalak határolják, alulról semmi, vagy görbe, egyenes lejtős likvidusz jellegű vonalak határolják. II. Kétfázisú mezők: 1. Likvidusz és szolidusz közé eső terület. 2. Két egyfázisú mező közé eső terület. 3. Azok a területek az egyensúlyi diagramban (fázisdiagramokban), amelyeket alulról, vagy felülről, vagy alulról és felülről vízszintes izoterma, vagy izotermák határolnak. III. Háromfázisú mezők: A háromfázisú mezők az egyensúlyi diagramban (fázisdiagramokban) vízszintes egyenesként jelentkeznek. (A vízszintes egyenesek végtelen kis hőfokközű mezőnek, háromfázisú mezőnek tekintendők.) - Az egyensúlyi diagramban (fázisdiagramokban), ahol vízszintes szoliduszba felülről egy pontba két likvidusz ág csatlakozik, ott EUTEKTIKUS, vagy EUTEKTIKUMOS átalakulás játszódik le; ez az összetétel (koncentráció) az EUTEKTIKUMOS összetétel. - Az egyensúlyi diagramban (fázisdiagramokban), ahol egy pontban felülről vízszintes szolidusz jellegű vonal, két likvidusz jellegű vonallal csatlakozik, ott EUTEKTOIDOS átalakulás játszódik le; és ez az összetétel (koncentráció) az EUTEKTOIDOS összetétel. - Az egyensúlyi diagramban (fázisdiagramokban), ahol vízszintes egyenesbe (szolidusz, vagy szolidusz jellegű) alulról egy pontba két vonal csatlakozik, annál a összetételnél (koncentrációnál) a vízszintes izoterma hőmérsékletű PERITEKTIKUS reakció játszódik le. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 21

22 Peritektikus reakciónál keletkezhet: szilárdoldat, vagy fémes vegyület. Az egyensúlyi diagramban (fázisdiagramokban), ha húzunk egy bármilyen helyzetű egyenest, vagy görbe vonalat (lehet ferde, függőleges, vízszintes), minden vonalmetszésnél a fázisok száma minimum (legalább) eggyel megváltozik. Ahány ága van a likvidusznak, annyi az elsődlegesen (primeren) kristályosodó, azaz az ömledékből kiváló fázisok száma. Konóda: Két, vagy háromfázisú mezőben fázishatártól fázishatárig húzott vízszintes izoterma. Egyfázisú mezőbe konódát húzni tilos. A konóda megmutatja: a fázisok számát, a fázisok milyenségét, a fázisok koncentrációját, a fázisok mennyiségeit. Kétalkotós ötvöző rendszer esetén egy meghatározott hőmérsékleten a fázisok milyenségét és mennyiségét ábrázoló, szemléltető diagramot fázismennyiség diagramnak nevezzük. Fázismennyiség diagram szerkeszthető minden olyan hőmérsékletre, ahol a rendszerben fázisok mennyisége nem változik. Három fázisú rendszerek esetén átalakulási hőmérsékleten eutektikumos, eutektoidos átalakulás, peritektikus reakciónál, illetve rácsátalakulásnál fázismennyiség diagram nem szerkeszthető. A termikus analízis során azt állapíthatjuk meg, hogy egy adott összetételű (koncentrációjú) ötvözet egy adott hőmérsékleten (,vagy másképpen a vizsgált rendszer) hány fázist, milyen fázist, milyen összetételű (koncentrációjú) fázist, vagy fázisokat, illetve milyen mennyiségben tartalmaz. Megvizsgálhatjuk, hogy hőmérsékletváltozás hatására milyen változás következik be a fázisok számában, a fázisok milyenségében, a fázisok összetételében (koncentrációjában), illetve a fázisok mennyiségében. A mikroszkópon látható kép az ötvözet szövetképe, amely szövetelem(ek)-ből épül fel. Egy szövetképet egy, vagy több szövetelem is felépíthet. A szövetelem nem más, mint egy szemcsének (krisztallitnak) a jellemző képe, vagy mintázata. A szövetelemeket fázisok alkotják, ezek az alkotó-fázisok. Ha egy szövetelem kiválással jön létre, mindig egy fázis alkotja. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 22

23 Ha egy szövetelem átalakulással keletkezik, azt mindig két fázis alkotja, kivéve a peritektikus reakciót, ahol két fázisból egy fázis keletkezik, ezért a peritektikus reakciót nem a klasszikus átalakulás fogalmával jellemezzük, hanem a kiválás jellegű átalakulásnak hívjuk. A szövetelem mennyiségének a meghatározásánál mindig úgy kell eljárni, hogy annak a fázisnak a mennyiségét határozzuk meg, amiből az adott szövetelem keletkezik, vagy amivel egyenértékű. Készítette: Kecskés Bertalan Oldal 23