Fémtan Dr. Gácsi, Zoltán Dr. Mertinger, Valéria

Átírás

1 Fémtan Dr. Gácsi, Zoltán Dr. Mertinger, Valéria

2 Fémtan Dr. Gácsi, Zoltán Dr. Mertinger, Valéria Készült a TÁMOP B-11/ számú projekt keretében, a korábban nyomtatásban is megjelent Fémtan c. kiadvány alapján. Azonossági szám: ISBN Műszaki Könyvkiadó Kft., Budapest

3 Tartalom 1. BEVEZETÉS KRISTÁLYTAN A szilárdtestek szerkezete. Amorf és kristályos anyagok A kristályrendszerek Pontok, irányok és síkok a rácsban Allotrópia A reális kristály. Kristályhibák Nulladimenziós hibák (ponthibák) Egydimenziós hibák (diszlokációk) Két- és háromdimenziós hibák (felületek, szemcsék és szemcsehatárok) A fémek és ötvözetek három legfontosabb rácsa Kérdések, feladatok FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA Rugalmas alakváltozás Maradó alakváltozás A diszlokációk szerepe a képlékeny alakváltozásban Sokkristályos fémek alakváltozása Kérdések, feladatok ÖTVÖZETEK Az ötvözet fogalma A fázisegyensúlyi diagram és olvasásának szabályai Az ötvözetek szövetelemei Ideális fázisegyensúlyi diagramok Kérdések, feladatok FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA A kristályosodás folyamata A homogén és a heterogén csíraképződés A szilárd oldatok kristályosodása Az eutektikum kialakulása A fogyási üreg és a porozitás keletkezése A fémötvözetek átalakulásai szilárd állapotban Az átalakulások csoportosítása A kristálycsírák képződésével és növekedésével zajló folyamatok Martenzites jellegű átalakulások Bénites átalakulás Kérdések, feladatok GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A vas-szén ötvözetrendszer A metastabilis ( - ) ötvözetek diagramja A stabilis (Fe-grafit) ötvözetek diagramja A vas-szén ötvözetekben előforduló szövetelemek Nem egyensúlyi szövetelemek kialakulása Átalakulási diagramok Gyakorlati vasötvözetek Színfémminőségek Szilárd oldatos vasötvözetek Szilárd oldat + karbid jellegű vasötvözetek Szilárd oldat + karbid + egyéb fázis szövetszerkezetű vasötvözetek Rézalapú ötvözetek Az alumínium ötvözetei Kompozitok (olvasmány) Kérdések, feladatok HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Alapfogalmak Lágyítás Normalizálás iii

4 Fémtan Szemcsedurvító izzítás Diffúziós (homogenizál) izzítás Újrakristályosító izzítás Stabilizáló izzítás Feszültségcsökkentő izzítás A célok nemesítése A réz- és az alumíniumötvözetek nemesítése Felületi edzés Termokémiai kezelések Termomechanikus kezelések Patentozás Heterogenizáló izzítás Kérdések, feladatok A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Alapfogalmak A próbavétel. A vizsgálandó próbatestek beágyazása A próbatestek csiszolása, polírozása és maratása A fénymikroszkóp felépítése Az elektronmikroszkópia alapjai A kristályszerkezet vizsgálata röntgensugárral Mikroszkópos mérések Kérdések, feladatok ANYAGVIZSGÁLAT Alapfogalmak Statikus mechanikai vizsgálatok Dinamikus szilárdsági vizsgálatok Ismétlődő terheléssel végzett vizsgálatok Kúszásvizsgálat Technológiai vizsgálatok Radiográfia Anyagvizsgálat ultrahanggal Mágneses és elektroinduktív eljárások Festékpenetrációs eljárás Kérdések, feladatok A LEGFONTOSABB FÉMTANI FOGALMAK ÉS MEGHATÁROZÁSAIK... clxxix Irodalomjegyzék iv

5 1. fejezet - BEVEZETÉS A bennünket körülvevő tárgyak anyagai között különféle fémeket találunk. Gondoljunk a szemüvegkeretre, amely eloxálható, polírozható alumíniumötvözetből készül, az óra hátlapjára, amelynek anyag savalló acél, az ónnal borított lágyacél lemezből készült konzervdobozra, a réz villamos vezetékre, az öntöttvas fürdőkádra vagy a krómozott acélból készült csaptelepre. A fémek széles körű alkalmazásának és használatának oka az, hogy ötvözeteiknek igen sok előnyös tulajdonsága van. Ezek a következők: Többségük nagyon jól alakítható hengerléssel, kovácsolással, sajtolással, húzással, hidegfolyatással, így belőlük változatos alakú, méretű használati eszközök készíthetők. Nagy szilárdságúak és szívósak. Más anyagok pl. az üveg és a különféle kerámiák a fémeknél szilárdabbak és keményebbek, de nem kellően szívósak, emiatt ridegek, könnyen elrepednek, eltörnek. A fémötvözetekből viszont megfelelő hőkezeléssel nagy szilárdságú, egyúttal kellően szívós használati eszközök készíthetők. Villamos és mágneses tulajdonságaik kedvezők. Jól vezető villamos huzalok, továbbá ellenállásanyagok és különböző mágneses anyagok készíthetők belőlük. Felületük polírozással, eloxálással, felületkezeléssel tovább javítható, így tetszetős használati cikkek készíthetők belőlük. Egy részük környezetbarát, mert az elhasználódott fémtermékek viszonylag könnyen feldolgozhatók újra (pl. egyszerű olvasztással), vagy a természetben korrózió révén lebomlanak. A fémes anyagok tulajdonságai attól függenek, hogy az atomok milyen kristályos rendbe szerveződnek, milyen a különböző kristályos fázisok mérete, méreteloszlása, ill. elhelyezkedése. A fémötvözetek szerkezetét a gyártás során módosítani lehet, így az olvasztás, öntés, képlékenyalakítás, ill. hőkezelés során alakul ki a fémes anyagnak az a végső szerkezete, amely a termék tulajdonságait meghatározza. A fémtan tudománya viszonylag fiatal, mintegy éves múltra tekint vissza. A fémötvözetek szerkezetének leírásával foglalkozó metallográfia tudományából fejlődött ki, majd felhasználta a fizikai különösen szilárdtestfizikai kutatások új eredményeit, és mára a fémek előállításának, gyártásának, hőkezelésének egyik alaptudományává vált. Magyarországon a fémtant Verő József akadémikus alapozta meg, aki a Miskolci Egyetem Fémtani Tanszékének alapító tanszékvezetője volt. Az általa elkezdett úton haladt tovább Káldor Mihály. Az általuk készített Fémtan c. könyv (1975) számos generáció alaptankönyvévé vált. Az elsősorban a középiskolásoknak szánt tankönyvünk elkészítésével az volt a célunk, hogy a hagyományokra támaszkodva beépítsük a tankönyvünkbe a tudományos kutatás legújabb eredményeit. A szerzők ezúton mondanak köszönetet azoknak, akik a tankönyv elkészítésében segítségükre voltak: elsősorban Dr. Roósz András, Dr. Roósz Andrásné, Sólyom Jenő, Dr. Tranta Ferenc és Dr. Bárczy Pál kollégáknak, akikkel a témakörben konzultációkat folytattunk. Nélkülözhetetlen segítséget nyújtottak továbbá Gáthiné Solczi Ágnes a kézirat egy részének gépelésében, Kovács Árpád a scanning elektronmikroszkópos felvételek elkészítésében, Kovács Tamásné és Nagy Lászlóné a csiszolási-polírozási munkában, valamint Bendász Ernő a kézirat bizonyos ábráinak elkészítésében, valamint Kovács Jenő a kézirat szerkesztésben. 1

6 2. fejezet - KRISTÁLYTAN A szilárdtestek szerkezete. Amorf és kristályos anyagok A természetben található szilárd anyagokat megvizsgálva azt tapasztaljuk, hogy ezek egy részének szabályos alakja van. Gondoljunk az ásványok igen változatos alakjára, például a kvarc hatszöges szimmetriájára, a hópelyhek mintázatára, vagy a konyhasó kis kockáira. Számos anyag külső megjelenése nem mutat szabályos szerkezetet, de mikroszkóppal megvizsgálva, összenőtt, apró, szabályos kristályok halmazát látjuk. Ilyen szerkezetük van pl. a fémeknek. Ezeket a szilárd anyagokat kristályos anyagoknak hívjuk. A szilárd anyagok másik csoportjának nincs ilyen szabályos belső vagy külső rendje. Ezeket amorf szerkezetűeknek nevezzük. Ilyenek pl. az üvegek. Hogy ezeknek az anyagoknak a szerkezetét jobban megértsük, vizsgáljuk meg, hogy hol helyezkednek el a térben egy tetszőlegesen kiválasztott anyag építőelemei, atomjai. Tekintsünk el az atom kiterjedésétől, vegyünk minden atomot egyetlen pontnak. Hagyjuk számításon kívül azt is, hogy az atomok mozognak, rezegnek, a vizsgálatunk idejére minden atom mozdulatlanul álljon egyetlen helyen. Tegyünk az atom köré sugarú gömböt. Számoljuk meg, a gömb felületegységére hány atom jut. Legyen az így kapott atomsűrűség. Most változtassuk nagyságát, és végezzük el a fenti vizsgálatot újra és újra, majd ábrázoljuk az így nyert különböző értékeket az függvényében. A vizsgált anyagtól függően négy különböző görbét kaphatunk (1 [2]. ábra). Ha értéke állandó, akkor az azt jelenti, hogy az atomok térbeli eloszlása egyenletes. Nincsenek az atomok által kitüntetett helyek, nincs semmilyen szabály, ami az atomok elhelyezkedését befolyásolná. Ilyen anyagok a gázok (1 [2]a ábra). 1. ábra. Atomi rend és rendezetl enség a különböz ő anyagok ban 2

7 KRISTÁLYTAN Ha a térbe egyre több atomot helyezünk, akkor kialakulnak az átlagostól eltérő kisebb, ill. nagyobb sűrűségű helyek is. A vizsgált atom első szomszédjának a helye biztos, de egyre távolabb menve, egyre kevésbé vannak megkülönböztetett helyek, azt mondjuk, hogy az anyagban rövid távú rend uralkodik. Ilyen eloszlás jellemzi a folyadékokat, sőt a szilárd állapotú amorf anyagokat (pl. üvegeket). Ezért az amorf anyagok túlhűtött folyadékoknak is nevezhetők (1 [2]b ábra). A legtöbb szilárd anyag függvénye nem folyamatos, ami azt jelenti, hogy bizonyos helyeken biztosan van, míg más helyeken biztosan nincs atom. Ez nagymértékű térbeli rendet jelent, ezért ezt a fajta elrendeződést hosszú távú rendezettségnek hívjuk. Az ilyen anyagban minden atomnak rögzített helye van, bármilyen messze megyünk is a kiválasztott atomtól. Az ilyen atomi elrendezésű anyagok a kristályos anyagok, amelyekben az atomok rácspontokban ülnek (1 [2]c ábra). A valóságos kristályokban azonban ez a kép kicsit bonyolultabb. A rácspontokon ülő atomok nem mozdulatlanok, meghatározott amplitúdóval rezegnek a rácspont körül. A rend soha sem tökéletes, mindig vannak nem a helyükön ülő vagy idegen atomok. Ezért a reális kristály görbéje mindig az 1 [2]d ábra szerint alakul, ami azt mutatja, hogy az egyes atomok az adott helyük körül szétszóródnak. Röviden: a kristályos és az amorf anyagok a bennük lévő rend mértékében különböznek egymástól. Az, hogy az atomok, atomcsoportok elhelyezkedése mennyire rendezett, könnyen meghatározható. Kiválasztunk egy atomcsoportot, majd ezt az alakzatot egyetlen vektornyi értékkel eltoljuk, s ezt az eltolást többször megismételjük (transzláció). Ha a szerkezetazonosság csak néhány eltolásnyi távolságon belül áll fenn, akkor rövid távú rendről, ha több, elviekben végtelen számú eltolás után is, akkor hosszú távú rendről beszélünk. Az eltolás végezhető egy vonal mentén, síkban vagy a térben. Ennek megfelelően beszélhetünk egy-, két- ill. háromdimenziós periodicitásról. A két, ill. három dimenzióban való mozgás leírására már nem elegendő egyetlen vektor. Ha egy síkot kívánunk feltérképezni, akkor az eltolás két irányát és vektorokkal, míg a térbeni mozgást,, vektorokkal tudjuk megadni. Periodicitást mutat egy dimenzióban pl. a gyöngysor, két dimenzióban a tapétaminta, három dimenzióban a méhkas A kristályrendszerek A következő lépésben a tér geometriájával foglalkozunk, és eltekintünk az anyagot alkotó atomoktól. Ehhez a teret egymással hézag nélkül érintkező, egybevágó térelemekre, ún. paralelepipedonokra osztjuk. A térelemet hat sík lap határolja, a csúcsok száma 6, az éleké 12, amelyek közül négy-négy egymással párhuzamos. Az adott térelem könnyen elképzelhető, ha a transzlációnál említett eltolási vektorokat a térelem éleinek tekintjük. Ezért a térelem egyértelműen megadható a három élvektorral (ami tulajdonképpen a három transzlációs vektor), és a vektorok (élek) által bezárt három szöggel. Az egy pontból kiinduló három élvektor meghatározza a kristálytani tengelyeket. Egy egyszerű térelem pl. a téglatest (2 [3]. ábra). 2. ábra. Térelem megadás a a transzlác iós vektorok kal és a szögekke l 3

8 KRISTÁLYTAN A transzlációs vektorok jellege alapján a rács, ill. a kristályrendszerek száma hét. Ha az atomokat visszahelyezzük a térbe, akkor azt tapasztaljuk, hogy azok nemcsak az adott térelem csúcsain, hanem lapközepén vagy térközepén is ülhetnek. Ha ezt a megkülönböztetést is figyelembe vesszük, akkor a kristályrácsok Bravais-féle osztályozásához jutunk, amely 14 csoportot sorol fel (1 [4]. táblázat). 1. táblázat. A rács Bravaisféle osztályoz ása 4

9 KRISTÁLYTAN Bravais francia krisztallográfus 1848-ban publikálta munkáját. Meg kell jegyezni, hogy az ásványtanban, ahol a kristályok külső szimmetriájának is szerepe van (mint a fejezet elején említett kvarc vagy kősó esetében), 32 csoporttal számolhatunk. Szerencsére a fémek vagy ötvözetek esetében a külső szimmetriának nincs vagy csak nagyon különleges esetben van jelentősége. Ha azt is figyelembe vesszük, hogy az atomok a térelem belsejében bárhol helyet foglalhatnak, akkor a változatok száma 230 lesz! A térelembe az atomokat a megfelelő pozícióba berajzolva kapjuk a rácselemet. Ha a rácselemben csak egyetlen atom van, akkor azt primitív rácsnak hívjuk. 5

10 KRISTÁLYTAN A rácselemben szereplő minden atomnak transzlációs tulajdonsága van, vagyis a megfelelő értékkel eltolva az adott atomot, a szomszédos rácselem ugyanolyan pozícióban lévő atomjához jutunk. A rácselemek összessége így leírja a teljes kristályrácsot. Ha térelem egy sarkát a kristály egy atomjára tesszük, és a térelembe berajzoljuk az összes atomot, ami a csúcsokra, lapokra, élekre vagy a térelem belsejébe esik, akkor elemi cellát kapnak. Ez az ábrázolásmód rendkívül elterjedt, mert megkönnyíti a rács egészének elképzelését. Természetesen az elemi cellának transzlációs tulajdonságai nincsenek, mert bizonyos atomok a szomszédos térelemhez vagy térelemekhez is tartozhatnak. A 3 [6]. ábra a térben középpontos kockarács ábrázolási módját szemlélteti. 3. ábra. A térben középpo ntos kockarác s téreleme, rácselem e és elemi cellája Általában az elemi cellát mindig könnyebben el tudjuk képzelni, mint a rácselemet a benne ülő atomokkal. Az elemi cellában lévő atomok számából könnyen kiszámíthatjuk a rácselemben ülő atomok mennyiségét, ha ismerjük a rácselemben található atomok számát és elhelyezkedését. A csúcsokon lévő atomok számát osztjuk nyolccal (mivel nyolc szomszédos térelem osztozik azon az egy atomon), az éleken lévőket néggyel (mivel négy szomszédos térelemhez tartozik), a lapokon lévőkét kettővel (mivel két térelem határolja), és ehhez hozzáadjuk a térelem belsejében lévő atomok számát. Ennek megfelelően a térben középpontos kockarács esetében a rácselemben az atomok száma: A fémtani folyamatok nagy részében a közvetlen atomi kölcsönhatások játsszák a főbb szerepet. Ezért mindig fontos, hogy az illető atom milyen viszonyban van a szomszédaival. Leginkább az a fő kérdés, hogy a kiválasztott atomunkat hány másik atom veszi körül. Ezért a rács leírására használjuk az ún. koordinációs számot, amely az illető atom közvetlen szomszédainak a száma, vagyis arra utal, hogy milyen sűrű térkitöltésű az illető rács. Ha azonos átmérőjű gömböket próbálunk egymás köré helyezni, akkor könnyen belátható, hogy a legnagyobb koordinációs szám 12 lehet, ami úgy adódik, hogy az illető atomot saját síkjában legfeljebb 6 atom veheti körül, a felette ill. az alatta levő síkban három-három Pontok, irányok és síkok a rácsban A rácsban egy pontnak, s így egy atomnak is a helyét három, a kristálytani tengelyekkel párhuzamosan mért koordinátával ( ) lehet megadni. Mivel a rácsot szimmetria jellemzi, kezdőpontnak bármilyen atom választható, így a koordináták között lehet negatív szám is (4 [7]. ábra). 6

11 KRISTÁLYTAN 4. ábra. Pontok megadás a koordiná tákkal A kristálytani irányt az pontot és a kezdőpontot összekötő vektor adja meg:, ahol,, a kristálytani rendszer jellegéből eredő transzlációs vektor. A kristálytani irány jele: [ ], amely egyben az irányt és az vektort is jelöli. Például az 5 [8]. ábra vektorára felírhatjuk:. Ennek megfelelően a vektort és az általa kijelölt irányt az [112] számhármassal adjuk meg. A kristálytanban, éppen erős szimmetriája folytán előfordulhatnak kristálytanilag egyenértékű irányok, ezeket így jelöljük:. 7

12 KRISTÁLYTAN 5. ábra. Az irány megadás a koordiná tákkal A síkot olyan gömbölyű zárójelbe tett számhármas, az ún. Miller-féle index jellemzi, amelynek egy-egy tagja a megfelelő kristálytani tengelyből levágott szakasz rácsparaméterben mért hosszának reciproka. A ( ) Millerféle indexszel jelzett sík tehát olyan sík, amely az,, vektorral meghatározott kristálytani tengelyekből rendre: szakaszokat vág le. 6. ábra. 8

13 KRISTÁLYTAN Sík megadás a Millerféle indexekk el Határozzuk meg a 6 [8]. ábra szerinti sík Miller-indexeit: a sík a tengelyekből rendre szakaszokat vág le. A 2/3 1 és 1/3 számhármast 3-mal szorozva (231) alakban adódik a Miller-féle index. Most fordítsuk meg a feladatot, és ábrázoljuk azt a síkot, amelynek (231) az indexe. A fentieknek megfelelően, ez az sík az tengelyt helyen, az tengelyt, míg a tengelyt helyen fogja metszeni. A 6 [8]. ábrán ezt a síkot jelöli. Figyeljük meg, az ily módon kapott és síkok egymással párhuzamosak! A sík számhármas tetszőleges számmal szorozható vagy osztható, ezért legtöbbször egész számok használatosak a legnagyobb közös osztóval osztott alakban. Az (,, ) sík párhuzamos a ( ) síkkal, ugyanolyan jellegű, csak a kezdőponthoz közelebb helyezkedik el. Tehát a (231) sík egyenértékű a (462) síkkal stb. 9

14 KRISTÁLYTAN Az (110), (101), (011), (110), (101), (011) index hat síkot jelent (ahol 1 negatív érték) mindegyike egymással párhuzamos. Az így kapott síksorozatot az kapcsos zárójeles alak fejezi ki. Néhány jellegzetes síkot mutat a 7 [10]. ábra. 7. ábra. A sík Millerindexei Ezzel a szemlélettel természetesen a hexagonális rács is leírható. Használjuk a kicsit szemléletesebb ábrázolásmódot is, amikor a szabályos hatszög három koordinátával ( ), a rácselem magassága pedig egy koordinátával ( ), így a rács összességében négy koordinátával adható meg. Elemi geometriai összefüggés alapján a összefüggésnek teljesülnie kell Allotrópia Bizonyos anyagok több kristályos szerkezetet is felvehetnek. Ha ezt a tulajdonságot a kémiai elemek mutatják, akkor allotrópiáról, más esetben polimorfizmusról beszélünk. Gondoljunk csak a grafitra és a gyémántra, az oxigénre és az ózonra, vagy a kvarcra, amely amorf állapotban és négyféle kristályos állapotban is ismert. Az egyes módosulatok alakulását a hőmérséklet és/vagy a nyomás határozza meg. Az átalakulásokat rejtett (latens) hő formájában megtestesülő reakcióhő felszabadulása vagy felvétele kíséri. Érdekes vonzata van az ón -on, bekövetkező allotróp átalakulásának. A kisebb hőmérsékletű -Sn (ún. szürkeón) gyémántrácsa a hőmérséklet növelésével tetragonális rácsú -Sn-ná (ún. fehérónná) alakul. Az átalakulás közben fellépő feszültségek az ónpestisnek nevezett jelenséget, az anyag törését, repedését, sőt elporladását okozzák. Ezek a feszültségek hanghatás kíséretében is felszabadulhatnak. Ilyen jelenséget tapasztalunk akkor, ha az ónlemezt a fülünkhöz közel téve, a lemezt hajtogatva recsegő hangot hallunk. Ebben az esetben az átalakulás a hajtogatás, vagyis nyomás hatására megy végbe. A fémek közül a vas allotróp módosulatainak van fontos gyakorlati következménye. Erre a későbbiekben még kitérünk A reális kristály. Kristályhibák 10

15 KRISTÁLYTAN A kristályrácsok tárgyalása során mindig tökéletes rendet feltételeztünk az anyagban, azt mondtuk, hogy adott alakzat (rácselem) végtelen szám ismétlésével (transzlációjával) tudjuk leírni a rácsot. Ha azonban valódi rácsot vizsgálunk, akkor azt tapasztaljuk, hogy ez csak idealizált kép, mert a transzláció bizony igen gyakran sérül, a valóságos vagy más néven reális rács hibákkal terhelt. Ezeket a hibákat a kiterjedésüktől függően csoportosíthatjuk: így léteznek nulla-, egy-, két- és háromdimenziós hibák. A későbbi fejezetekből majd kitűnik, hogy ezek a hibák néha igen megnehezítik az életünket, de vannak olyan jelenségek, amelyekben nagyon fontos, sőt hasznos a jelenlétük. Azt is mondhatnánk, hogy a fémtan rendszerint nem a rács tökéletes részével, hanem a hibáival foglalkozik Nulladimenziós hibák (ponthibák) A legegyszerűbb ponthiba a vakancia, amely egy atom hiányát jelenti a rácsban. Az ábrákon gyakran négyzettel jelölik. A hőmozgás miatt vakanciák mindig előfordulnak a rácsban. Fémekben az olvadáspont környezetében 0,1 atom% sűrűségben. Keletkezésüktől, ill. a rács jellegétől függően különbözők lehetnek (8 [11]. ábra). 8. ábra. Ponthibá k Ha a kristály belsejében lévő egyik atom a kristály felületén lévő rácshelyre távozik, és egy üres helyet hagy maga után, akkor ezt a vakanciát Schottky-hibának hívjuk. Ha egy atom a helyét elhagyja, és rácsközi helyre megy, akkor Frenkel-féle hibapárról beszélünk. A ponthibák sajátos példája, amikor az ionrácsból egy negatív ion hiányzik, és a töltéskiegyenlítés miatt annak helyére egy elektron kerül. Az ilyen ponthibát színcentrumnak nevezzük, mert az anyag elszíneződéséhez vezet. Ponthibának számít, és igen nagy jelentőségű a rácsban az oldott idegen atom. Ha a szennyező atom az alapanyag rácspontjában ül, és helyettesít egy atomot, akkor szubsztitúciós oldódásról, ha pedig az idegen atom rácsközi helyen van, akkor intersztíciós oldódásról beszélünk. Ha a szilárd anyagban a szennyező atomok vagy a vakanciák sűrűsége a hely függvényében változik, akkor szennyező atomok, ill. vakanciák áramlani kezdenek. Ezt a folyamatot diffúziónak hívjuk. Mivel a fémtani folyamatok nagy része diffúzióval megy végbe, ezért a vakanciáknak a folyamatok lezajlásában igen nagy szerepe van Egydimenziós hibák (diszlokációk) A diszlokációk a kristályokban leggyakrabban előforduló egyenes vagy görbült vonalak, amelyek mentén a kristályrács sérült. A diszlokációknak két fajtája van: az éldiszlokáció és a csavardiszlokációk. A 9 [11]a ábra egy éldiszlokációt szemléltet, amelyet úgy a legegyszerűbb elképzelni, mint extra félsíkot, amelyet a felülettől betoltunk a rácsba. A sík éle a diszlokáció vonala. A csavardiszlokációt (9 [11]b ábra) úgy képzelhetjük el, hogy a kristályt felvágjuk, majd a vágóél irányába deformáljuk. A diszlokáció megjelenésével létrejött rácsdeformációt a Burgers-vektorral (jele: ) jellemezzük. 9. ábra. 11

16 KRISTÁLYTAN Diszloká ciók A Burgers-vektor könnyen meghatározhatja, ha azonos számú lépéssel jobbra, lefelé, balra és felfelé körbejárjuk a diszlokációt. A megérkezési és elindulási pontunk közti távolság adja a Burgers-vektor értékét. Ha az indulási és az érkezési pont azonos, akkor a körbejárt terület diszlokációmentes, vagy két, ellenkező előjelű diszlokációt tartalmaz (10 [12]. ábra). A diszlokáció külső erő hatására vagy atomi átrendeződés esetén elmozdul a kristályban, ezért alakváltozáskor igen nagy szerepe van. A külső feszültség hatására való elmozdulást diszlokációcsúszásnak nevezzük. Ha egy vakancia épül be a diszlokáció vonalába, az olyan, mint ha a félsík egy atomtávolságnyit elmozdulna. 10. ábra. Burgersvektor 12

17 KRISTÁLYTAN Ezt a mozgást diszlokációmászásnak nevezzük. Csak nagy hőmérsékleten ér el számottevő sebességet. Diszlokáció képződhet képlékenyalakítás és kristályosodás során is Két- és háromdimenziós hibák (felületek, szemcsék és szemcsehatárok) Ha az anyag a felületen középpontos kockarácsú, akkor a diszlokáció csúszósíkja az (111) sík lesz. Ekkor a diszlokáció szétválik részdiszlokációkra, amelyeknek a Burgers-vektora nem rácsponttól rácspontig mutat, hanem annál rövidebb. Ezért a két részdiszlokáció közötti tartományban az atomok nem a rácspontokon ülnek. Ezt a hibát rétegződési hibának nevezzük. A hiba nagysága szabja meg, hogy az anyag könnyen vagy nehezen alakítható-e. Ha ennek a hibának az energiája nagy, akkor a részdiszlokációk távol kerülnek egymástól, szalagokká szélesednek. Ilyenkor az anyag, mint pl. a sárgaréz, nehezen alakítható. Ezzel szemben az alumíniumban, ahol a rétegződési hiba energiája kicsi, a részdiszlokációk közel vannak egymáshoz, szinte vonalak. Az alumínium ezért könnyen alakítható. A diszlokációk mozgásuk során másfajta hiba kialakulásában is szerepet játszanak. Ha a rácsot pl. kétféle (A, B) atom alkotja, és nem közömbös az, hogy melyik atomnak milyen a szomszédja, akkor a diszlokációk mozgásuk során az eredeti ABABAB rétegződések helyett AA vagy BB szomszédságokat is kialakíthatnak. Az így kialakult hibák az ún. antifázishatárok (11 [14]. ábra). 13

18 KRISTÁLYTAN 11. ábra. Antifázis határ A leggyakoribb és a legfontosabb kétdimenziós hiba a szemcsehatár. A diszlokációk energetikai okok miatt gyakran falakba sorakoznak. Ilyenkor a fal két oldalán lévő kristályfelek között szögeltérés alakul ki. Ha a szögeltérés, akkor kisszögű határról beszélünk. Ha a diszlokációk száma nagyon megszaporodik, akkor kb. 0,5 nm szélességű rendezetlen (amorf) tartomány alakul ki, ezt nagyszögű szemcsehatárnak hívjuk. Ha ennek az ellenkezője áll fenn, és a határon lévő atomok tökéletesen kapcsolódnak mindkét kristályfélhez, akkor koincidenciáról, más néven koherens határról beszélünk (12 [14]. ábra). 12. ábra. Szemcse határok 14

19 KRISTÁLYTAN Ha a kristályhibák összefüggő térfogatrészeket alkotnak, akkor azokat háromdimenziós rácshibáknak nevezzük A fémek és ötvözetek három legfontosabb rácsa A fémes kötés jellegéből adódóan (pozitív atomtörzsek között a közös vegyértékelektronok) a fémek és ötvözetek a tér sűrű kitöltésére törekszenek. Nem fordul elő, hogy a rács építésekor azonos síkok fedésbe kerülnének, más szóval atom fölött közvetlenül nem találunk atomot. 13. ábra. Tetraéde res és oktaéder es lyukak a térben középpo ntos kockarác sban 15

20 KRISTÁLYTAN A fémekre jellemző legfontosabb rácsok a térben középpontos kockarács, a felületen középpontos kockarács és a hexagonális, sűrű illeszkedésű rács. A térben középpontos kockarács (tkk) térkitöltése az ideálisnál kisebb. A legsűrűbb irány a térátló [111] iránya, ahol is az atomok összeérnek. A rácsközi lyukak oktaéderes és tetraéderes helyzetben vannak. Oktaéderes lyukak vannak minden lapközépen és élközépen (13 [15]a ábra), tetraéderes lyukak a lapokon (13 [15]b ábra). Ha a rácsot felépítő atomok sugara, akkor tetraéderhelyzetben sugarú, oktaéderhelyzetben sugarú gömb helyezhető el a rács torzítása nélkül, a tetraéderhelyzetű üres hely tehát a nagyobb. Legfontosabb ötvözetünk alapféme a vas, amelynek kis hőmérsékletű, allotróp módosulata a ferrit ( -Fe) kockarácsú. A ferrit mindig tartalmaz intersztíciósan oldott szenet és nitrogént. Érdekes, hogy ezek az atomok a ferritben oktaéder helyzetben vannak, bár itt kisebb hely áll a rendelkezésükre, s így nagyobb mértékben torzítják a rácsot. A tetraéderhelyzet mérete 36 pm, az oktaéderhelyzeté pedig 19 pm. A szénatom sugara 80 pm, a nitrogéné pedig 70 pm. Ennek az elhelyezkedésnek nyilván energetikai okai vannak. Az oldott atomok az oktaéderhelyzetet elfoglalva enyhén tetragonálissá torzítják a térben középpontos kockarácsot. A torzulásnak van kitüntetett iránya, ez az ún. anizotróp torzulás. Ekkor csupán két vasion egymástól való távolsága növekszik meg. A tetraéderhelyzetben a torzulás izotróp lenne, a négy vasion helyzete megváltozna. Abból a tényből, hogy a szén- és a nitrogénatom úgy oldódik, hogy a helyigénye nagyobb, mint amennyi a rendelkezésére áll, közvetlenül adódik, hogy az oldott atomok a diszlokációs frontokban helyezkednek el, ezáltal gátolják a diszlokációk mozgását. Ezzel függ össze a folyás jelensége. Külső feszültség hatására, ha a diszlokációkat el tudjuk szakítani az intersztíciós atomoktól, akkor az alakváltozás kisebb feszültség hatására is végbemegy, a szakítódiagram,,megugrik (l. a 9. fejezetet). A rácselem adatai: Atomszám: 2.,. Atompozíció: (000), ( ). Koordinációs szám: 8. A felületen középpontos kockarács (ffk) a legsűrűbb térkitöltésű szerkezet. Az ideális gömbök pl. egy dobozba bedobált csapágygolyók ily módon töltik ki a teret. Az atomok az [110] irányokban összeérnek. A rácsközi lyukak itt is oktaéder- és tetraéderhelyzetben vannak. A legnagyobb üres helyen sugarú idegen atom férhet el a rács torzítása nélkül. Így a vas felületen 16

21 KRISTÁLYTAN középpontos kockarácsú módosulatában az ausztenitben ( -Fe) oldódó szén- és nitrogénatom jelentősen torzítja a rácsot. Ilyen rácsuk van a legjobb elektromos és hővezető tulajdonságú és egyben a legképlékenyebb, ún. ideális fémeknek (Au, Ag, Ni, Pt, Al, Pb, Fe). A rácselem adatai: Atomszám: 4.,. Atompozíció: (000), ( 0), ( 0 ), (0 ). Koordinációs szám: 12. Hexagonális, szoros illeszkedésű rács (hex) térkitöltése az ideálistól kisebb. Üres hely csak a négy atom alkotta elemi tetraéder középpontjában van, mérete kicsi, sugarú idegen atom fér el benne. A rácselem adatai: Atomszám: 4.,. Atompozíció: (000), ( ). Koordinációs szám: Kérdések, feladatok 1. Mekkora szöget zár be az [111] és a [001] irány kockarácsban? 2. Milyen egyenértékű síkokat tartalmaz a síkrendszer kockarácsban? 3. Egy sík a következő pontokat tartalmazza: 000, 0, és 0. Mi a sík Miller-indexe? 4. Melyik ónmódosulat sűrűsége a nagyobb, és miért? 5. Jellemezzen egy reális kristályt! 6. Milyen szemcsehatár-szerkezetet ismer? 7. Milyen amorf anyagokat ismer? 8. Rajzolja fel reális kristályban az atomok előfordulási valószínűségét! 9. Rajzolja fel a felületen középpontos kockarács térelemét, rácselemét és elemi celláját! 10. Az iránycsalád milyen egyedi irányokat tartalmaz kockarácsban és tetragonális rácsban? 17

22 3. fejezet - FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA Rugalmas alakváltozás A fémek képlékeny viselkedésének megértése érdekében bemutatjuk a kristályos szerkezetű fémes anyagok alakváltozásának kristálytani magyarázatát. A kérdés az, hogy a kristályos szerkezetben kötött helyen lévő atomok hogyan képesek ilyen alakváltozásra? A jelenség magyarázatát a 14 [18]. ábra szemlélteti. 14. ábra. Fémkrist ály rugalmas alakválto zása a) nyugalmi állapot, b) húzó igénybev étel, c) nyomó igénybev étel esetén 18

23 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA A terhelőerő hatására a kristályrács eltorzul: húzott irányban megnyúlik, nyomott irányban pedig megrövidül. A húzóerővel párhuzamosan az atomsíkok távolsága megnő, míg arra merőlegesen csökken. A kockarácsú kristályos anyagok téreleme tetragonálissá torzul. Az egymástól eltávolított atomok között vonzóerő ébred, az egymáshoz közel lévő atomok között pedig taszítóerő jön létre. A külső húzóerővel szemben ezek az atomi erők tartanak egyensúlyt. A terhelés megszüntetése után a rács visszanyeri eredeti alakját. A rugalmas alakváltozás során érvényes a Hook-törvény, vagyis a létrejövő alakváltozás és a mechanikai feszültség között egyenes arányosság van, s az anyagra jellemző arányossági tényező az rugalmassági modulus (Young-modulus).. Minél nagyobbak az atomok közötti vonzóerők, annál nagyobb az adott ötvözet rugalmassági modulusza Maradó alakváltozás A fémek maradó alakváltozása akkor következik be, amikor a külső mechanikai feszültség nagyobb, mint a rugalmassági határ. A szigorú geometriai rendben lévő atomok alakváltozása csak úgy mehet végbe, hogy az atomsíkok képesek egymáson elcsúszni. Ezt a jelenséget csúszásnak nevezzük. A maradó alakváltozásra jellemző, hogy az atomok eredeti rácshelyzetükből kilépnek, s a terhelés megszűnése után oda már nem térnek vissza. Az atomsíkok elcsúszását a 15 [19]. ábra szemlélteti. 15. ábra. Az atomsíko k elcsúszás a a) nyugalmi állapot; b) csúszás megindul ása; c) egy rácspara méternyi elcsúszás Rugalmasnak nevezzük, az olyan általában kismértékű alakváltozást, amelyik a külső terhelés befejeződése után megszűnik. 19

24 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA A 16 [20]. ábrán az egykristályból készült hengeres próbatesten látható, hogyan váltja fel az atomsíkok rugalmas alakváltozását a síkok maradandó elcsúszása, amely a próbatest méretének megnövekedését (a maradó alakváltozását) okozza. Azt is megfigyelhetjük, hogy a síkok egyre jobban az alakváltozás irányába fordulnak. 16. ábra. Egykrist ály rugalmas és a maradó alakválto zása Az atomok elcsúszása azokon a síkokon következik be, ahol a legsűrűbben helyezkednek el, vagyis ahol felületegységenként a legtöbb atom található. Például a felületen középpontos kockarács (110) síkjában négy 20

25 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA atom van, az (100) síkjában öt, míg az (111) síkon hat atom található. Ez utóbbi tehát a felületen középpontos kockarács legsűrűbben kitöltött síkja, s egyben csúszási síkja is. A hexagonális kristályrácsú (17 [21]a ábra), a felületen középpontos kockarácsú (17 [21]b ábra) jellegzetes csúszási síkjai és irányai különböznek. Az atomsíkok elmozdulásához, vagyis a csúszás megindításához a csúsztatófeszültség adott értékére (ún. kritikus értékre) van szükség, amelynek nagysága fémenként változik. 17. ábra. A különböz ő kristályr ácsú fémek csúszási síkjai és csúszási irányai Néhány fém kritikus csúsztatófeszültségét, valamint a csúszási síkot és irányt a 2 [21]. táblázat tartalmazza. Az oldott ötvözők és a szennyezők jelentősen növelik a kritikus csúsztatófeszültséget. Például a cink kritikus csúsztatófeszültségét már 0,04% szennyező az ötszörösére, -re növeli. 2. táblázat. A legfontos abb fémek csúszásá nak adatai 21

26 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA Az atomsíkok elcsúszása mellett a képlékeny alakváltozás másik lehetséges módja az ikerképződés. Míg a csúszási mechanizmus során a csúszási sík alatt és fölött elhelyezkedő kristályrészek orientációja nem változik (18 [22]a ábra), addig az ikerképződés folyamán az elmozduló kristályrészek irányultsága átformálódik (18 [22]b ábra). Ez a csúszási mechanizmushoz hasonlóan a kristály megnyúlását eredményezi. Az ikerképződésre akkor kerülhet sor, amikor a csúsztatófeszültség egy meghatározott értéket elér. 18. ábra. A csúszási (a) és az ikerképz ődéses (b) mechaniz mus összehas onlítása 22

27 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA Az alakítási ikerképződés rendkívül gyorsan ( s) megy végbe. Egyes kristályok elsősorban a kevés csúszási síkú hexagonális rendszerbeli fémek kristályainak csúszási síkja a képlékeny alakváltozás számára kedvező helyzetbe éppen ikerképződéssel kerül. Az atomsíkok elmozduláshoz jelentős mechanikai feszültségre van szükség, különösen azért, mert az egy-egy síkban lévő nagyon sok atom ezt a mozgást egyszerre végzi el. Sokkal kisebb külső feszültségre van szükség akkor, ha az atomok egyenként mozdulnak el, pl. egy vakancia segítségével (19 [23]. ábra). Az atomsíkok elcsúszása akár néhány ezer rácsparaméternyi is lehet, anélkül, hogy a fémes anyag elrepedne. Ezzel a nagyméretű csúszással érthetővé válik a fémek jelentős mértékű alakváltozó képessége. 19. ábra. Az atomsíko k csúszása vakancia segítségé vel 23

28 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA A diszlokációk szerepe a képlékeny alakváltozásban A reális kristályokban az atomsíkok elmozdulása mindig diszlokációk közvetítésével megy végbe. A diszlokáció (20 [24]. ábra) a nyíróerő hatására jobbról balra halad, és létrehoz egy-egy rácsparaméternyi elmozdulást. 20. ábra. Az atomsíko k elmozdul ása diszlokác iók révén a) a csúszás megindul ása; b) közbenső állapot; c) egy rácspara méternyi elmozdul ás Ehhez lényegesen kisebb erőre van szükség, mint a teljes atomsík elmozdításához, hiszen itt egyszerre csak egy rácsparaméternyi változás következik be. Ezt szemlélteti a 21 [25]. ábra. A 21 [25]a ábrán hibátlan rácsú, 24

29 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA diszlokáció nélküli, kocka alakú kristályrész látható. Ha az csúszási sík fölé eső részt el akarjuk mozdítani, akkor a teljes síkban működtetni kell a kritikus csúsztatófeszültséget, s így a maradó alakváltozást megindító erő az felülettek ( ) arányos. Ezzel szemben szélességű ( ) diszlokáció esetén (21 [25]b ábra) csak lényegesen kisebb felületen ( ) érvényesül a terhelőerő. 21. ábra. A diszlokác iók szerepe a maradó alakválto zásban Ily módon a diszlokációk a reális fémkristályokban a kritikus csúsztatófeszültséget és ezzel a rugalmassági határt több nagyságrenddel csökkentik a hibátlan rácsú fémkristályok rugalmassági határához képest (22 [25]. ábra). A reális kristályokban kb. diszlokációsűrűség esetén a legkisebb a rugalmassági határ. 22. ábra. A rugalmas sági határ és a diszlokác iósűrűség kapcsolat a 25

30 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA A képlékeny alakváltozás diszlokációk mozgásával megy végbe, és viszonylag nagyszámú új diszlokáció keletkezésével jár, azaz az alakított fémben a diszlokációsűrűség erőteljesen növekszik. A diszlokációk számának növekedésével a diszlokáció környezetében lévő mechanikai feszültség miatt a diszlokációk egymás mozgását akadályozzák. Ezenkívül a diszlokációk szemcsehatárokon, rideg kiválásokon is feltorlódnak. Mindezek együttes hatására a diszlokációk további mozgása, azaz a képlékeny alakváltozás csak folyamatosan növekvő mechanikai feszültséggel lehetséges, s így a rugalmassági határ emelkedni kezd, azt mondjuk: a fémötvözetek keményednek. Ezt a jelenséget a fémek és az ötvözetek alakítási keményedésének nevezzük Sokkristályos fémek alakváltozása A sokkristályos fémek képlékeny alakváltozása az egykristályokhoz hasonlóan játszódik le. A lényegi különbség az, hogy míg az egykristályokban a csúszási síkok meghatározott helyzetet foglalnak el a külső terheléshez viszonyítva, addig a sokkristályos fémek nagyszámú kristályában ezek a síkok staisztikusan rendezetlenül helyezkednek el. Vagyis vannak olyan kristályok, amelyeknek a csúszósíkjai a terhelőerőhöz viszonyítva kedvező helyzetűek, és vannak olyanok, amelyek kedvezőtlen irányúak. A kedvezőtlen irányú kristályok környezetében olyan mechanikai feszültségek jöhetnek létre, amelyek még bennük is megindíthatják a képlékeny alakváltozást. Így a képlékeny alakváltozás folyamatában többé-kevésbé valamennyi kristály részt vesz, bár irányuktól függően az alakváltozásban jelentős helyi különbségek mutatkoznak. Az alakváltozás következtében a rendezetlenül elhelyezkedő kristályok rendezettséget vesznek fel, amelyet anizotrópiának nevezünk. Az alakítás hatására a kristályok alakja is megváltozik, az eredeti szemcsék erősen nyújtottá válnak (23 [27]a ábra). Bármelyik helyzetű kristály egy-egy részének elcsúszását a szomszédai megnehezítik, s a 26

31 FÉMKRISTÁLYOK ALAKVÁLTOZÁSA tényleges elmozdulás csak a kristályok egymásba nyomódása révén lehetséges (23 [27]b ábra). A kristályhatárok a diszlokációk mozgását is akadályozzák, ily módon a sokkristályos anyagok képlékeny alakváltozásához szükséges mechanikai feszültség a szemcsenagyságtól függ, annak négyzetgyökével fordítottan arányos. Ezt fejezi ki a Hall Petch-egyenlet:, ahol a rugalmassági határ, ; az ötvözetre jellemző állandó; az ötvözet típusától függő arányossági tényező; a szemcseátmérő,. 23. ábra. A sokkristá lyos anyag alakválto zása 5. Kérdések, feladatok 1. Mit nevezünk rugalmas alakváltozásnak? Hogyan megy végbe a kristályos anyagok rugalmas alakváltozása? 2. Mutassa be a Hook-törvényt. Mikor érvényes? 3. Ismertesse a rugalmassági határ és a maradó alakváltozás definícióját! 4. Mi a csúszás lényege? 5. Ábrázolja a felületen középpontos kockarácsú, a térben középpontos kockarácsú, valamint a hexagonális rendszerű fémek csúszási síkjait! Adja meg Miller-indexüket! 6. Hasonlítsa össze ábra segítségével a csúszási és az ikerképződéses mechanizmust! 7. Ismertesse a diszlokációk szerepét a képlékeny alakváltozásban! 8. Mutassa be a sokkrsitályos anyagok képlékeny alakváltozásának jellegzetességeit! 9. Mit nevezünk alakítási keményedésnek? 10. Mutassa be a Hall Petch-egyenletet! Mit gondol milyen gyakorlati következményei vannak az egyenletnek? 27

32 4. fejezet - ÖTVÖZETEK Az ötvözet fogalma Az ötvözetek fém természetűek, tehát elsőrendű elektromos vezetők, fémfényűek, szerkezetük kristályos. Ötvözetet elsősorban fémek alkotnak egymással, de lehetséges fémnek metalloid elemmel (pl. réz-antimon, vasszilícium) vagy fémnek nemfémes elemmel (pl. vas-nitrogén, nikkel-oxigén) alkotott ötvözete is. Két vagy több fémből, metalloid elemből készíthető ötvözetek összességét ötvözetrendszernek nevezzük. Két adott fémből készíthető ötvözetek összessége kétalkotós, (binér) ötvözőrendszer. Három alkotó esetén ternér, négy alkotó esetén kvaternér ötvözőrendszerről beszélünk. Az ötvözetek kristályosodásának és egyéb átalakulásának törvényszerűségei elsősorban a termikus analízisnek nevezett kísérleti módszerrel vizsgálhatók. A termikus analízis során megolvasztjuk az adott mennyiségű alkotókat, majd az olvadékot lehűtve, annak hőmérsékletét, ill. a kristályosodást, ill. az átalakulásokat kísérő hőhatásokat mérjük. A hőmérséklet-változást az idő függvényében ábrázolva kapjuk meg az illető ötvözet lehűlési görbéjét. Ha ezt a kísérletet egy ötvözőrendszer kellően sokszámú ötvözetére elvégezzük, és a lehűlési görbék jellemző adatait egyetlen diagramban ábrázoljuk, akkor, az illető ötvözőrendszer fázisegyensúlyi diagramját kapjuk. Ma már számtalan ötvözőrendszer két-, három-, sőt sokalkotós diagramja ismert, így a gyakorlati életbe nem egy bizonyos diagram meghatározása, hanem a kész diagramok helyes olvasása lesz a feladatunk A fázisegyensúlyi diagram és olvasásának szabályai A diagramok értelmezését megkönnyítő, általánosan érvényes törvényszerűségek érvényesek bármilyen alakú és bonyolult diagram olvasása esetén is. A továbbiakban példáinkat kétalkotós diagramok esetére mutatjuk be. A fázisegyensúlyi diagram vízszintes tengelyén a koncentráció tömeg- vagy atomszázalékban olvasható le, függőleges tengelyén pedig a hőmérséklet -ban vagy K-ben. A diagramban szereplő vonalak homogén (egyfázisú), illetve heterogén (kétfázisú) területeket választanak el egymástól. Egyszerű heterogén (kétfázisú) rendszer az olvadó jég. A két fázis (víz+jég) kémiai összetétele megegyezik, de halmazállapota, rácsszerkezete és sok más tulajdonsága különbözik. Vagyis a diagram vonalai az illető fázisok érvényességi területeit jelölik ki. Más szóval megmutatják, hogy az adott fázis mely koncentráció, ill. hőmérséklet-tartományban van jelen. Más megközelítésből, a diagram megmutatja, hogy pl. adott hőmérsékleten mely fázisok tartanak egyensúlyt (pl. -on a víz a jéggel van egyensúlyban). Egyes vonalakat, görbéket külön névvel jelölünk, amely a végbemenő folyamat jellegére utal (24 [29]. ábra): A likvidusz az adott ötvözet kristályosodásának kezdeti hőmérsékletét jelöli. A homogén olvadékterületet választja el a heterogén olvadék+szilárd fázis területtől. A likvidusz ágainak a száma azt mutatja, hogy hányfajta fázis kristályosodik primeren az ötvözőrendszerben. A szolidusz az adott ötvözet kristályosodásának befejező hőmérsékletét jelöli. 28

33 ÖTVÖZETEK A szolvusz a szilárd oldat oldhatósági határa. (A következő fejezetben részletesen lesz róla szó.) Találunk még görbéket, amelyek az allotrop átalakulás kezdetét és végét mutatják. Ezeknek a vonalaknak nincs külön megnevezésük. 24. ábra. Az egyensúl yi diagram olvasásá nak szabályai A diagramban találunk vízszintes és attól különböző vonalakat. A vízszintestől eltérő görbék mindig olyan folyamatokra utalnak, amelyekben két fázis tart egyensúlyt. Ezekre a folyamatokra az is jellemző, hogy a hőmérséklet csökkenésével és a jelen lévő egyik vagy mindkét fázis koncentrációjának folyamatos változása közben mennek végbe. Gyakran találkozunk viszont olyan folyamattal is, amelynek három szereplője van. Ezeket az eseményeket a kétalkotós egyensúlyi diagramban mindig vízszintes vonalak jelölik. Ennek a magyarázatát a Gibbs-féle fázistörvény adja meg kondenzált (nem gázállapotú) rendszerekre:, ahol a reakcióban részt vevő fázisok száma, a szabadsági fokok száma, az alkotók (komponensek) száma. Az alkotók száma 2, ha kétalkotós, és 3, ha háromalkotós ötvözőrendszerről van szó stb. A szabadsági fok azt mutatja meg, hogy az adott folyamatban hány állapothatározót változtathatunk meg szabadon. A fémtani folyamatokban a nyomást állandónak tekintjük ezért. Ha szabadsági fokok száma 1, akkor monovariáns folyamatról van szó, vagyis a folyamat a hőmérséklet csökkenése közben megy végbe. Ezzel szemben, ha a szabadsági fokok száma 0, akkor a folyamat nonvariáns, vagyis állandó hőmérsékleten zajlik. Ilyen eset például a színfémek olvadása: 29

34 ÖTVÖZETEK (olvadék fázis, szilárd fázis) Ezzel magyarázható az, hogy a színfémek állandó hőmérsékleten olvadnak meg, amit olvadáspontnak nevezünk. Ha felvesszük egy színfém lehűlési görbéjét, akkor az olvadáspontig csökkenő görbét, az olvadásponton pedig vízszintes egyenest kapunk. Ez azt jelenti, hogy a rendszer addig marad az olvadáspont hőmérsékletén, amíg az összes olvadék meg nem szilárdul, vagyis amíg a fázisok száma le nem csökken eggyel. Ezt követően a hőmérséklet újra csökkenni fog. Nézzük, hogyan alakul egy kétalkotós ötvözet kristályosodása: Vagyis a kristályosodás a hőmérséklet csökkenése közben megy végbe. Ötvözetrendszerekben leggyakrabban a következő négyfajta folyamat megy végbe állandó hőmérsékleten, (nonvariáns) folyamatok (25 [30]. ábra): Eutektikus reakció: az összetételű egyszerre két szilárd fázis kristályosodik, a összetételű és a összetételű.,, Eutektoidos átalakulás: az eutektikus reakcióval hasonló, csak szilárd állapotban zajló folyamat. Egy homogén, összetételű SZILÁRD kiinduló fázis két különböző, összetételű és a összetételű fázisokká alakul át:, (kiinduló, keletkezett, ), Peritektikus reakció: valamely korábban primeren kristályosodott összetételű fázis reakcióba lép a összetételű és egy új, összetételű fázis keletkezik. A kiinduló koncentrációnak megfelelően a reakciónak három lehetséges kimenetele lehet: (megmarad) (megmarad),, Monotektikus reakció: a kezdeti homogén olvadék szétválik két, egymást nem oldó olvadékrészre. Ilyen heterogén olvadékrendzsertkönnyen elképzelhetünk, ha víz és az olaj elegyére gondolunk. Ha közben egy kristályosodó fázis is megjelenik, akkor a fázisok száma három lesz. Az összetételű összetételű és összetételű fázis keletkezik: 25. ábra. A fázisegye 30

35 ÖTVÖZETEK nsúlyi diagram ban leggyakr abban előfordul ó, állandó hőmérsé kleten zajló folyamat ok, SZ szilárd, O olvadék fázis Az eddigi ismereteken kívül további információkat is kaphatunk azegyensúlyi diagramból. Ha a vizsgált ötvözet valamely hőmérsékleten heterogén tartományba esik, akkor a meghúzott konóda kijelöli az egymással egyensúlyban lévő fázisok összetételét és mennyiségét is. 31

36 ÖTVÖZETEK A határoló görbék és a konóda metszéspontjainál leolvashatjuk a keresett összetételeket. A 24 [29]. ábra szerint, az kiinduló koncentrációjú ötvözetben, a hőmérsékleten, az koncentrációjú fázis tart egyensúlyt, az koncentrációjú olvadék fázissal. A fázisok mennyiségét az ún. emelőszabály segítségével határozhatjuk meg: a konóda végpontjaiba sűrítve képzeljük az egyensúlyt tartó egy-egy fázis tömegét, magát a konódát pedig kétkarú emelőnek tekintjük, amely a jellemző pontban van alátámasztva. A két fázis tömegének összege megegyezik az ötvözet egész tömegével. Az egyik fázis viszonylagos mennyiségét a másik fázishoz tartozó karnak és a két kar összegének hányadosa adja meg (l. a 24 [29]. ábrát). Így az fázis tömegszázaléka: Az ötvözetek szövetelemei A szövetelem lehet egyfázisú, ez esetben vagy színfém, vagy szilárd oldat, vagy vegyület. Kétalkotós ötvözet szöveteleme lehet kétfázisú, akkor eutektikum vagy eutektoid, annak megfelelően, hogy eutektikus kristályosodással vagy eutektoidos átalakulással keletkezett-e. Színfémek kristályaival ötvözetekben voltaképpen nem találkozhatunk, mert egymásban teljesen oldhatatlan anyagok nincsenek. Az ötvözetekben színfémnek tekintjük azt a kristályos fázist, amely csak kicsiny mennyiségű ötvözőelemet tartalmaz oldva, és ha ennek az oldódásnak figyelembe veendő következménye nincs. Meg kell jegyezni, hogy néha a csekély mértékű oldódásnak is jelentős következménye lehet! A szilárd oldat mint a neve is elárulja oldat jellegű kristályos fázis. Legalább két alkotó része van, a nagyobb mennyiségben előforduló oldószer vagy alapfém és az oldott fém. A vizes oldatokhoz hasonlóan a szilárd oldalt koncentrációja is bizonyos határok között változik. Az egyik határ a 0 mértékű oldhatóság, vagyis a színfém. Ezért a szilárd oldat az egyensúlyi diagram egyik szélén helyezkedik el. Ha korlátlan az oldhatóság, akkor a szilárd oldat területének másik határa a másik színfém. Ha korlátozott az oldhatóság, akkor az érvényességi területet a szolvuszvonal jelöli ki. A szilárd oldatokat görög betűkkel jelöljük. A szilárd oldat rácsszerkezete mindig az oldófém szerkezetével egyezik meg. Az ötvözőelem atomjai vagy helyettesítik az oldófém atomjait a rácspontokon (szubsztitúciós oldódás), vagy rácsközi helyekre ékelődnek be (intersztíciós oldódás) (l. a pontot). Az intersztíciósan oldódó atomfajta csak kis sugarú, azaz kis rendszámú elem lehet. Intersztíciósan oldódik a vasban a szén és a nitrogén. A fémek általában szubsztitúciósan oldódnak egymásban. A szilárd oldat rácsszerkezetében az ötvöző atomfajta elvileg statisztikailag véletlenszerűen helyezkedik el, de ha energetikailag kedvező, akkor rövid, sőt hosszú távú rend is kialakulhat. A rendezett rácsú szilárd oldatok akkor alakulhatnak ki, ha az alkotó atomok mennyisége egyszerű egész számokkal kifejezhető (1:3 vagy 1:1). Annak, hogy két fém szilárd állapotban minden arányban oldhassa egymást három feltétele van a két fém rácsának ugyanolyan alakúnak kell lennie; a két fém mérete csak kismértékben különbözhet; a két fémnek egyforma vegyértékűnek kell lennie. Fémvegyületnek olyan két- vagy többalkotós kristályos fázist nevezünk, amelynek rácsszerkezete független az alkotó fémétől. A vegyület fázis koncentrációjának határai mindig az egyensúlyi diagram belsejébe esnek. 32

37 ÖTVÖZETEK A vegyület összetétele lehet állandó, ekkor a diagramban egy függőleges vonal jelöli. Lehetnek viszont olyan esetek is, amikor azt mondjuk, hogy a vegyület oldja az alkotóit, s ilyenkor szélesebb koncentrációtartomány jelöli ki az érvényességi határokat, de ez soha sem eshet egybe a koncentrációtengely egyik végpontjával sem. Az eutektikum olvadékból a Gibbs-féle fázisszabály értelmében állandó hőmérsékleten kristályosodó, legalább kétfázisú, tehát heterogén szövetelem. Eutektikumot bármelyik kristályos fázis képezhet bármelyik fajta kristályos fázissal. Szerkezetét tekintve az eutektikum lehet lemezes, szálas, tűs vagy szemcsés elrendezésű (l. a 43 [58]. ábrát). A sajátos szerkezetből adódóan igen fontos gyakorlati jelentősége van. Az eutektikum szó görögül könnyen olvadót jelent, ami arra utal, hogy az ötvözőrendszerben a tisztán eutektikus összetételű ötvözetnek a legkisebb az olvadáspontja. Az eutektoid szintén többfázisú heterogén szövetelem. Mindig szilárd állapotú átalakulás során jön létre. Fázisai szintén bármilyenek lehetnek. Szövetképe gyakran lemezes vagy szemcsés Ideális fázisegyensúlyi diagramok A gyakorlati ötvözetek egyensúlyi diagramja néha nagyon bonyolultnak tűnik. Ezek a diagramok is jól érthetőkké válnak, ha az ún. ideális diagramokat megértjük, ugyanis a reális diagramok több ideális diagramból állnak. A következő fázisegyensúlyi diagramok alatt megrajzoltuk a szövetdiagramokat, amelyekben a szövetelemmennyiségeket tüntettük fel a koncentráció függvényében. Ezek a diagramok a szövetvizsgálatot segítik. Szintén megrajzoltuk az egyensúlyi diagram valamely állandó hőmérsékletre érvényes metszetét, a fázismennyiségdiagramot, amely az adott hőmérsékleten egyensúlyban lévő fázisokat tünteti fel. A fázismennyiség-diagramban soha nincs heterogén terület, így az egyensúlyban lévő fázisok mennyisége egy lépésben (szemben a mérlegszabállyal) meghatározható. Két színfém eutektikus rendszere. A két fém olvadékállapotban minden arányban, szilárd állapotban egyáltalán nem oldódik egymásban, vegyület nem keletkezik. 26. ábra. Két színfém eutektiku s rendszer e a) fázisegye nsúly diagram; b) fázismen nyiség diagram hőmérsék leten c) szövetdia gram 33

38 ÖTVÖZETEK A diagram a 26 [33]. ábrán látható. A likvidusz kétágú, ennek megfelelően az A és B színfém kristályosodik primeren. Vizsgáljuk meg az összetételű ötvözet kristályosodásnak menetét homogén, hőmérsékletű olvadékállapotból kiindulva. Ha a rendszer hőmérséklete eléri a -nek megfelelő likvidusz-hőmérsékletet, akkor az A színfém elkezd kristályosodni. A hőmérséklet csökkenése közben a szilárd kristályok mennyisége egyre nő. Ahogy egyre több A kristály válik ki az olvadékból, annak összetétele egyre inkább feldúsul B-ben. Az olvadék mindenkori összetételét a likvidusz mutatja, pl. hőmérsékleten az összetételű olvadék tart egyensúlyt a szilárd színfém fázissal. Amikorra a rendszer eléri a hőmérsékletet, az olvadék koncentrációja pedig az értéket, akkorra az olvadék oly erősen telítődik a B alkotóra nézve, hogy a B színfém kristálycsírái is megjelennek a rendszerben. Mivel kétalkotós rendszerben egyidejűleg három fázis van jelen (olvadék, A színfém, B színfém), nonvariáns lesz a folyamat. A két fázis (A színfém, B színfém) egyidejűleg csak állandó hőmérsékleten kristályosodhat, ezt nevezzük eutektikus kristályosodásnak. Ezt jelöli a vízszintes egyenes. Az eutektikum kristályosodása során az olvadék összetétele már tovább nem változik, csak mennyisége fogy. Amikor az utolsó olvadékrészek is megszilárdultak, már csak a két szilárd fázis van jelen a rendszerben, akkor újra csökkenni kezd a hőmérséklet. Az eutektikus kristályosodás tartományát jelölő vízszintes vonal a teljes koncentrációtartományon végigfut, ezért a kristályosodás mindig eutektikum kristályosodásával fejeződik be bármilyen is a kiindulási összetétel. Ha az eutektikus ponttól jobbra van a kiindulási ötvözetünket jelző pont ( ), akkor először B színfém kezd kristályosodni az előzőknek megfelelő módon, majd azt követi az eutektikum kristályosodása. Ha a kiindulási összetétel, akkor annyiban különbözik a kapott szövet az összetételű próbáétól, hogy az utóbbiban 34

39 ÖTVÖZETEK kevesebb színfém és több eutektikus szövetelem lesz a kristályosodás végén. Ez a mérlegszabály segítségével számítható a hőmérsékleten, ahol. Pl.:,, ; a B színfém mennyisége ha a kiindulási koncentráció : ha a kiindulási koncentráció :,. Egyáltalán nem kristályosodik színfém, ha a kiindulási koncentráció. Ebben az esetben csak eutektikum kristályosodik állandó hőmérsékleten. Ennek megfelelően a szövet is 100% eutektikumot tartalmaz, mint ahogy azt a szövetdiagramban is feltüntettük. Az eutektikus ponttól balra az eutektikum mellett egyre több A színfémet, az eutektikus ponttól jobbra pedig egyre több B színfémet találunk. Szerkesszük meg a izotermán érvényes fázismennyiség-diagramot! A hőmérsékletet kijelölő egyenes mentén végighaladva, levetítjük azokat a pontokat, ahol elmetszettük a diagram vonalait. Balról jobbra indulva az első két metszéspont között kétfázisú tartomány van, ezt egy egyfázisú követi, majd ismét egy kétfázisú. Az első tartomány bal szélén 100% A színfém van, a tartomány jobb szélén pedig 0%. Ennek megfelelően a fázismennyiség-diagramba behúzzuk ezt a két pontot összekötő ferde egyenest. A második tartomány homogén, ezért a fázismennyiség-diagram belsejébe nem húzunk vonalat. A harmadik tartomány ismét heterogén, ezért megint ferde egyenest húzunk a tartományt határoló pontok között. Ezután már könnyen meghatározható, hogy pl. az ötvözet esetében 60% olvadék tart egyensúlyt 40% szilárd fázissal. Vegyület kristályosodása nyílt maximummal. A két fém vegyületet alkot, amely meghatározott hőmérsékleten egynemű olvadékká olvad. Az ilyen esetre érvényes diagram a 27 [35]. ábrán látható. Ebben az ötvözetrendzserben a két színfémen (A-n és B-n) kívül vegyület is kristályosodik, amelynek általános képlete. Így a likvidusz három ágú. A vegyülethez tartozó likvidusz maximuma a vegyület olvadáspontja. Ezen a hőmérsékleten a vegyület színfémhez hasonlóan állandó hőmérsékleten olvad. Ha a kiindulási koncentráció megegyezik a vegyület koncentrációjával, akkor csak vegyületet találunk a szövetben. A vegyület nemcsak ebben a tekintetben viselkedik színfém módjára, hanem abban is, hogy a diagramot két részre osztja, ami megegyezik az előzőekben említett eutektikus diagram alakjával, ill. az ott ismertetett folyamatokkal. 27. ábra. Vegyület kristályo sodása nyílt maximu mmal a) fázisegye nsúlyi diagram; b) fázismen nyiség diagram 35

40 ÖTVÖZETEK hőmérsék leten; c) szövetdia gram Ennek megfelelően két, különböző összetételű eutektikum kristályosodik a rendszerben. A 0%- koncentráció tartományban az eutektikum, amelynek fázisai az A színfém és a vegyület. Az ponttól balra A színfém, míg jobbra a vegyület kristályosodik az eutektikumot megelőzően. Az -100% koncentráció közben, az eutektikus ponttól balra a vegyület, míg a ponttól jobbra a B színfém előzi meg az eutektikum kristályosodását. Ennek megfelelően az eutektikum fázisait a vegyület és a B színfém alkotja. Az eddig elmondottak alapján tehát vegyületet az és koncentrációtartományban találunk, maximális mennyiséget (100%-ot) az koncentrációértéknél. Ha a vegyület az alkotórészeit szilárd állapotban oldja, akkor a vegyület helyét a koncentrációtengelyen az állandó érték helyett koncentrációtartomány, a diagramban pedig a függőleges vonal helyett sáv jelenti (28 [36]. ábra). A sávon belül lévő bármely ötvözet szövete ugyanolyan, mint a vegyületé. 28. ábra. Vegyület 36

41 ÖTVÖZETEK kristályo sodása nyílt maximu mmal, ha a vegyület az alkotóit oldja a) fázisegye nsúlyi diagram; b) fázismen nyiségi diagram hőmérsék leten; c) szövetdia gram 37

42 ÖTVÖZETEK Vegyület peritektikus képződése. Két fém olvadékállapotban minden arányban, szilárd állapotban egyáltalán nem oldódik, vegyület keletkezik, amely nem olvad állandó hőmérsékleten (zárt maximumos vegyület). Ilyen vegyületet olyan fémek alkotnak egymással, amelyeknek olvadáspontja között nagy a különbség. Az ilyen egyensúlyi diagramban a likvidusznak szintén három ága van (29 [38]. ábra): A és B színfém, valamint a vegyület kristályosodásának kezdetét mutató görbék. Két nonvariáns folyamatot jelző vízszintes egyenes van: az eutektikus kristályosodás és a peritektikus átalakulás folyamata. 29. ábra. Vegyület peritekti kus képzőséd es a) fázisegye nsúlyi diagram; 38

43 ÖTVÖZETEK b) fázismen nyiségi diagram t1 hőmérsék leten; c) szövetdia gram Az koncentrációtartományban lévő ötvözetek az eddig már megismert módon kristályosodnak. Az eutektikus ponttól balra A színfém, az eutektikus pont és a pont között pedig a vegyület kristályosodik primeren, majd mindkét esetben az eutektikummal fejeződik be a kristályosodás. A ponttól jobbra eső ötvözetek esetében a kristályosodás a B színfém kristálycsíráinak megjelenésével kezdődik, miközben a hőmérséklet folyamatosan csökken, az olvadék koncentrációja pedig a likvidusznak megfelelően változik. Ha a hőmérséklet eléri a értéket, az olvadék koncentrációja pedig a pontot, akkor végbemegy a peritektikus reakció: a primeren kristályodott B színfém reakcióba lép a még meglévő olvadékkal, és a reakció termékeként vegyület keletkezik. Ha a kiindulási koncentráció a koncentrációtartományba esett, akkor a peritektikus reakció addig tart, amíg elfogy az összes primeren keletkezett B színfém kristály. Ebből következik, hogy ezeknek az ötvözeteknek 39

44 ÖTVÖZETEK a szobahőmérsékletre lehűlt szövetében nem találunk B színfémet. A B színfém elfogyása után ( ), még mindig van olvadék, amelyből a hőmérséklet csökkenése közben vegyület kristályosodik az likvidusznak megfeleően, majd a kristályosodást az eutektikum megjelenése fejezi be. Ha a kiindulási koncentráció a koncentrációtartományba esik, akkor a folyamat itt is B színfém kristályosodásával indul, majd az előbb említett módon végbemegy a peritektikus reakció, amely szintén vegyületkeletkezéssel jár. Ezzel szemben eltérően az előbb említett esettől a reakciópárból az olvadék fogy el, és a reakció végén B színfém kristályok maradnak a keletkezett vegyület mellett. A peritektikus reakció lehetséges harmadik kimenetele akkor fordul elő, ha a kiindulási koncentráció pontosan. Ekkor a B színfém primer kristályosodását követő peritektikus reakcióban részt vevő mindkét fázis (olvadék, B színfém) elfogy. A szövetben csak vegyületet találunk. A szövetdiagramban megkülönböztetjük azt a vegyületet, amely a peritektikus reakció termékeként jött létre, ill. azt, ami olvadékból való kristályosodással keletkezett. Szilárd oldat kristályosodása. A két alkotó mind olvadék-, mind szilárd állapotban korlátlanul oldja egymást. Az ilyen fémek egymással csak szilárd oldatot alkotnak, egyéb szövetelem az ötvözeteikben nem jelentkezik. A homogén olvadék a hőmérséklet-tartományban kristályosodik, és a keletkezett szilárd fázis összetétele eltér az olvadékától. A szilárd fázis koncentrációjának változását a szolidusz mutatja (30 [40]. ábra). 30. ábra. Szilárd oldat kristályo sodása a) fázisegye nsúlyi diagram; b) fázismen nyiségi diagram hőmérsék leten; c) szövetdia gram 40

45 ÖTVÖZETEK A likvidusz és a szolidusz a diagram két területét három részre osztja. A likvidusz feletti rész a homogén olvadék, a szolidusz alatti a homogén szilárd fázis, a kettő között található diagram egyetlen heterogén területe, ahol a szilárd és az olvadékfázis együtt. A diagram alapján bármelyik ötvözet a következőképpen szilárdul meg. Amint hűlés közben az ötvözet a likvidusz jelezte hőmérsékletet elérte, a homogén összetételű olvadékból összetételű kristályos fázis válik ki. Ez a fázis szilárd oldat, tehát sok A fémet és kevesebb B atomot tartalmaz. Ezután a hőmérséklet csökkenése közben a szilárd fázis mennyisége növekedni kezd, miközben összetétele folyamatosan változik, és változik a vele egyensúlyban lévő olvadék összetétele is. Így pl. hőmérsékleten az olvadék összetétele, míg a szilárd fázisé a pontnak megfelelő érték. Ha szilárd fázis összetétele elérte az értéket, akkor befejeződik a kristályosodás. A valóságban a szilárd oldat kristályosodása általában nem követi az egyensúlynak megfelelő értéket, mert a szilárd fázis koncentrációjának folyamatos változására amely diffúzió útján megy végbe nem áll rendelkezésre elegendő idő. Ekkor a darabban a kristályokon belül dúsulások alakulnak ki. Ha a likvidusznak maximuma vagy minimuma van, akkor a szolidusz ebben a pontban érinti a likviduszt. Ebben az ötvözetben a kristályosodás a színfémhez hasonlóan a koncentráció változása nélkül megy végbe. Az érintési pontot kivéve, a kristályosodás a fent leírtaknak megfelelően alakul. 41

46 ÖTVÖZETEK Két szilárd oldat eutektikus rendszere. A két fém olvadékállapotban minden arányban, szilárd állapotban nem minden arányban oldja egymást. A két fém olvadáspontja nagyon hasonló. Ezekben az ötvözetekben kétfajta szilárd oldat kristályosodik primeren (31 [42]. ábra), és ez a két szilárd oldat alkotja az eutektikum fázisait ( ). Az eutektikus reakciót jelző vízszintes egyenes végpontjai kijelölik az eutektikumot alkotó szilárd oldatok összetételét. A diagramból látható, hogy a szilárd oldatok az eutektikus hőméréskleten képesek a legtöbbet oldani a másik atomból. Az eutektikus hőmérséklet alatt az szilárd oldat oldékonyságának megfeleő szolvusz. a hőmérséklet csökkenésével egyre kisebb oldott ötvözőtartalmat mutat. Ezzel szemben a szilárd oldat oldhatósága a hőmérséklet csökkenésével nem változik. 31. ábra. Szilárd oldat eutektiku s rendszer e a) fázisegye nsúlyi diagram; b) fázismen nyiségi diagram hőmérsék leten; c) szövetdia gram 42

47 ÖTVÖZETEK Hasonlítsuk össze az és az ötvözetek kristályosodását! Az esetében a kristályosodás a szilárd oldatok kristályosodásának megfelelően az fázis megjelenésével kezdődik. A szilárd fázis mennyisége a hőmérséklet csökkenésével nő, míg az olvadék összetétele a likvidusz, a szilárd fázis összetétele a szolidusznak megfelelően változik. Amikor a hőmérséklet eléri a -nek, az olvadék összetétele az pontnak megfelelő értéket, akkor a rendszerben a összetételű és a összetételű szilárd oldat kristályosodik egyszerre (eutektikus kristályosodás). Amikor az olvadék elfogy, a rendszer elkezd hűlni. A hőmérséklet csökkenésével az szilárd oldat oldékonysága csökken. Az esetében a kristályosodás szintén a szilárd oldat kristályosodásával kezdődik, mielőtt viszont az olvadék összetétele elérte volna az eutektikus pontot, a szilárd fázis összetétele elérte az összetételt, ami a kristályosodás befejezését jelenti. Vagyis azokban az ötvözetekben, amelyeknek a koncentrációja az eutektikus reakciót jelző egyenes tartományán kívül esik, nem kristályosodik eutektikum, csak szilárd oldat. Ha a kristályosodás után átlépjük az oldhatósági görbét, akkor a túltelített szilárd oldatból kiválik a szilárd oldat. Két szilárd oldat peritektikus rendszere. A két fém olvadékállapotban minden arányban, szilárd állapotban nem minden arányban oldja egymást. A fémek olvadáspontja nagyon különböző. Az ilyen ötvözetekben a likvidusz két ága a két fém olvadáspontja közé eső területen metszi egymást (32 [44]. ábra). A peritektikus reakciót jelző vízszintes egyenes tartományán kívül eső ötvözetek a szilárd oldatoknak megfelelően kristályosodnak. A két végponton belül ( ) lévő koncentrációjú ötvözetek esetében mindig szilárd oldat kristályosodásával indul a folyamat. A hőmérsékletet elérve, végbemegy a peritektikus reakció: 43

48 ÖTVÖZETEK az összetételű szilárd oldat reakcióba lép a összetételű olvadékkal, és a reakció termékeként összetételű szilárd oldat keletkezik. Ha a koncentrációtartományban van a kiiindulási összetétel (pl. ), akkor a reakció végén olvadék marad, a szilárd oldat pedig teljesen elfogy. A maradék olvadékból ezt követően szilárd oldat kristályosodik a hőmérséklet csökkenése közben, egészen addig, míg a szilárd fázis összetétele el nem éri a kiindulási értékét, -et. Ekkor befejeződik a kristályosodás. 32. ábra. Szilárd oldat peritekti kus rendszer e a) fázisegye nsúlyi diagram; b) fázismen nyiségi diagram hőmérsék leten; c) szövetdia gram 44

49 ÖTVÖZETEK A ponttal egyező ötvözet esetében is csak tisztán szilárd oldatot találunk a próba szövetében, de ez a szilárd oldat tisztán a peritektikus reakció során keletkezett szemben az előző esettel, ahol a reakció termékeként, ill. primer kristályosodással jött létre. A koncentrációtartományban a kristályosodás a peritektikus reakcióval fejeződik be, és, valamint szilárd oldatot találunk a próba szövetében. Monotektikus ötvözetrendszer. A két fém olvadt állapotban nem minden arányban, szilárd állapotban pedig egyáltalán nem oldja egymást. Ha ilyen fémolvadékot összekeverünk, akkor az egyik folyadék a másikban csepp alakjában oszlik el. Az esetre érvényes egyensúlyi diagram általános alakja a 33 [45]. ábrán látható. Ha az olvadék összetétele az koncentrációtartományba, ill. a hőmérséklet-tartományba kerül, akkor a nagyobb hőmérsékleten homogén olvadék a fent említett módon szeparálódik, két önálló fázisként jelenik meg. Ha e folyamat mellett még kristályosodás is zajlik (harmadik fázis megjelenése), akkor a rendszer nonvariáns állapotba kerül. Ezt jelzi a hőmérsékleten lévő vízszintes egyenes. Az egyenes végpontjától balra eső ötvözetek a már megismert színfémek eutektikus kristályosodása szerint kristályosodnak. 33. ábra. Monotek 45

50 ÖTVÖZETEK tikus ötvözetre ndszer a) fázisegye nsúlyi diagram; b) fázismen nyiségi diagram hőmérsék leten; c) szövetdia gram Nézzük, mi történik, ha a kiindulási koncentráció ennél nagyobb ötvözőfém-tartalmú (pl. )! 46

51 ÖTVÖZETEK A kristályosodás a B színfém megjelenésével kezdődik. Amikor az olvadék összetétele eléri az értéket a hőmérsékleten, akkor a kezdeti homogén olvadékból cseppek formájában új olvadékfázis válik ki, miközben a B színfém kristályosodása tovább folytatódik. A három fázis jelenléte miatt ezek a folyamatok állandó hőmérsékleten zajlanak. A kezdeti olvadék összetétele az ponttól az a pont felé vándorol az egyenes mentén, és A alkotóban egyre dúsabbá válik. Amikor az olvadék koncentrációja eléri az a pontot, akkor az eredeti olvadékfázis elfogy, vagyis a B színfém kristályosodása újra a hőmérséklet csökkenése közben zajlik tovább. Amikor az olvadék koncentrációja megegyezik az e pont koncentrációjával, a maradék olvadékból az A és B színfém egyszerre, eutektikum keletkezése közben kristályosodik. Így a B színfémfázis keletkezhet primer kristályosodás során az likvidusz szerint, monotektikus reakció során az egyenes szerint, újra primer kristályosodással az likvidusz szerint, és az eutektikum egyik fázisaként. 5. Kérdések, feladatok 1. A szolidum-hőmérséklet ismerete nagyon fontos a melegalakítási technológiáknál. Miért? 2. Határozzon meg három nonvariáns reakciót! 3. Mondjon egy kétfázisú rendszert! 4. Mi történik hűlés közben, ha keresztezzük az egyensúlyi diagram szolvuszát? 5. Írja fel a Gibbs-féle fázisszabályt tiszta víz forrására! 6. Írja le a 26 [33]. ábra ötvözetének kristályosodását! 7. Határozza meg a 27 [35]. ábra összetételű ötvözetében a hőmérsékleten lévő fázisok mennyiségét! 8. Írja le a 27 [35]. ábra összetételű ötvözetének lehűlése során lezajló folyamatokat! 9. Válasszon ki egy összetételt a 29 [38]. ábra koncentrációtartományából, és írja le az ötvözet kristályosodásának menetét! 10. Határozza meg a 30 [40]. ábra összetételű ötvözetének fázismennyiségét a hőmérsékleten! 11. A 31 [42]. ábra alapján mondja meg, hogy milyen fázisok vannak egyensúlyban a hőmérsékleten az ötvözetben! 12. Számolja ki a 32 [44]. ábra ötvözetében a hőmérsékleten egyensúlyban lévő fázisok mennyiségét! 13. Mennyi a nonvariáns folyamatok száma a 33 [45]. ábra szerinti diagramban? 47

52 5. fejezet - FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA A kristályosodás folyamata A homogén és a heterogén csíraképződés A kristályosodás az anyagok folyékony halmazállapotból szilárd halmazállapotba való fázisátalakulása. Két részfolyamatra bontható: az első folyamat a stabil kristálycsírák keletkezése, a második pedig ezek növekedése (34 [48]. ábra). A kristálycsírák keletkezése lehet homogén, ill. heterogén. 34. ábra. Kristályc sírák kialakulá sa és növekedé se a) az olvadék szerkezet; b) a sötétebb atomok csoportos ulása; c) kialakul a kristálycs íra; d) és e) a csíra növekedn i kezd 48

53 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Ahhoz, hogy a kristályosodás ténylegesen elkezdődjön, az olvadékot az olvadásponthoz (fagyásponthoz) képest túl kell hűteni (35 [49]. ábra). Az ekkor keletkező és növekedésre képes csírát kritikus méretűnek nevezzük. 35. ábra. A túlhűtés értelmez ése a) kristályos odás a fagyáspo nton; b) kristályos odás túlhűlésse l 49

54 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Nagysága a következő összefüggéssel becsülhető. ahol a kritikus méretű csíra sugara, ; a szilárd-olvadék határfelületi energia, ; a fém olvadás-dermedés-pontja, ; ( ) a hőmérsékleten a rendszerből elvont hőmennyiség, ; a dermedésponthoz képest jelentkező túlhűlés,,. Ha a véletlenszerűen összetapadó atomcsoport mérete a számítottnál kisebb, akkor az atomcsoport az olvadékban feloldódik, vagyis a kristálycsíra eltűnik. Ha a keletkezett csíra mérete a kritikus méretnél nagyobb, akkor az atomcsoport stabil, és növekedésre képes. Nagy csíraképződési sebesség esetén viszonylag kicsi a kristályosodás végére kialakuló szemcsenagyság (36 [50]. ábra), ha viszont a növekedési sebesség nagy a csíraképződési sebességhez képest, akkor végeredményként nagyméretű szemcsék jönnek létre. 36. ábra. A szemcsen agyság, valamint a csíraképz ődés és a növekedé s kapcsolat a a) finomsze mcsés szerkezet; b) durva szemcsék 50

55 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA A heterogén csíraképződés növeli a csíraképződési sebességet, mert az olvadékba juttatott idegen atomok csökkentik a felületi feszültséget, ennélfogva kisebb lesz a kritikus csíraméret is. Így lényegesen kisebb túlhűlés is elegendő a növekedésre képes kristálycsírák létrejöttéhez. Ezt a hatást érhetjük el, ha az alumíniumolvadékba szemcsefinomítót adagolunk (37 [51]. ábra), amelynek eredményeként finom szemcsék fejlődnek ki. 37. ábra. A keresked elmi tisztaság ú alumíniu m szemcsen agysága (100x-os nagyítás) a) nincs - adagolás; b) öntés előtt -t adagoltak 51

56 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA A szilárd oldatok kristályosodása Az ötvözetek kristályosodásakor igen nagy jelentősége van az olvadék-szilárd határfelület alakjának. Amikor az olvadt fémet valamilyen formába öntjük, s az a hideg fallal érintkezik, a hőelvonás hatására elkezdődik az olvadék hőmérsékletének csökkenése. Ha a hőmérséklet az olvadáspont alá esik, megindul a kristályosodás (38 [52]. ábra). 38. ábra. Az öntött szerkezet kialakulá sa a) kristálycs írák képződés e; b), c), d), e) oszlopkri stályok növekedé se 52

57 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Kristályosodás közben a szilárd-olvadék határfelület alakja lehet síkszerű, cellás, ill. dendrites (39 [53]. ábra). A kristályosodási folyamat egyik fontos jellemzője a hőmérséklet-változás (gradiens, jele: ), nagysága az olvadék-szilárd határfelületen:, ahol hőmérséklet az pontban ; hőmérséklet a 2 pontban, ; az 1 pont távolsága a kristályosító falától, mm; a 2 pont távolsága a kristályosító falától, mm. 39. ábra. Az olvadékszilárd határfelü let különböz ő alakjai 53

58 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA a) sík; b) cellás; c) dendrites Másik jellemző adat a szilárd-olvadék határfelület mozgási sebessége (, mm/s). Ha a határfelület mozgása elég lassú, és a hőmérséklet-változás erőteljes, a határfelület alakja sík. A síkfrontos kristályosodás feltételét a következőképpen fejezhetjük ki:, ahol a hőmérséklet-gradiens, ; a határfelület mozgási sebessége, mm/s; az egyensúlyi diagram likviduszának meredeksége, ; az egyensúlyi diagramból számítható likviduszösszetétel, %; az egyensúlyi diagramból számítható szoliduszösszetétel, %; diffúziós állandó,. 40. ábra. A dendrit 54

59 kialakulá sa (az összetétel i túlhűlés magyará zata) FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA a) koncentrá cióeloszlá s a szilárdolvadék határfelül eten; b) hőmérsék letváltozás a szilárdolvadék határfelül et közelében ; c) a cella kialakulás a; d) egyensúly i diagram 55

60 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Az összefüggés szerint, ha a szilárd-olvadék határfelület előtt az olvadékban mérhető tényleges hőmérséklet nagyobb, mint az olvadék összetételéből számított likvidusz-hőmérséklet (39 [53]a ábra), akkor a kristályosodás határfelülete sík. Amennyiben az olvadékban a diffúzió nem elég gyors, és az ötvözőtartalom a mozgó olvadékszilárd határfelület előtt megnő (40 [54]a ábra), akkor az olvadék összetételéből számítható likviduszhőmérséklet a tényleges hőmérsékletnél nagyobb. Miután a tényleges hőmérséklet így a likvidusz alatt van, a jelenséget összetételi túlhűlésnek nevezzük. A sík határfelület felborulását, a cellás szerkezet kialakulását (39 [53]b ábra) éppen ez az összetételi túlhűlés okozza. Erősebb túlhűlés esetén a cellákon oldal irányú elágazás is létrejön, kialakul a dendrites szerkezet (39 [53]c ábra és 40 [54]. ábra). (A dendrit elnevezés a dendros görög szóból származik, amelynek jelentése: fa. A dendrit fa alakú kristály.) 41. ábra. Nem egyensúl yi kristályo sodás hatása a szolidusz helyzetér e 56

61 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA A szilárd oldatok kristályosodásának gyakori következménye a mikrodúsulások kialakulása, mert a szilárd fázisban lassú a diffúzió. Ekkor az olvadék a 41 [56]. ábra szerint kristályosodik. Amikor az olvadék eléri a hőmérsékletet, belőle összetételű szilárd fázis válik ki, eközben az összetétele lesz. Miután a hőmérséklet tovább csökken, és eléri a értéket, az egyensúlyi diagram szerint a és a összetételű szilárd és folyékony fázis tart egymással egyensúlyt. A valóságos kristályosodás során viszont a szilárd fázis összetétele nem egyenlítődik ki teljesen, hiszen a szilárd fázison keresztül nem tud elég B ötvözőatom diffundálni. Így a tényleges átlagos összetétel és között lesz, amit a -vel jelölünk. Ennek következtében az olvadék B ötvözőben dúsul. A hőmérséklet további csökkenésével ez a jelenség folytatódik, s a már megszilárdult dendrites vázra újabb réteg kristályosodik. A szilárd fázis átlagos összetétele ekkor. Az olvadék tovább dúsul B ötvözőben, megközelíti, esetleg eléri az eutektikus összetételt, így a kristályosodás az eutektikum megszilárdulásával fejeződik be. A kristályosodás során kialakult szerkezet összetétele nem egyenletes, a koncentráció a dendrit közepétől a széle felé haladva fokozatosan nő, és rendszerint megtalálható az eutektikum is (42 [57]. ábra). Ez a jelenség a mikrodúsulás. Természetesen, ha az ötvözetet megfelelő hőmérsékleten, hosszabb ideig hőkezeljük, az eutektikum feloldódik, és a koncentrációkülönbség eltűnik: az egyensúlyi diagramnak megfelelő szövetszerkezet jön létre. 42. ábra. Szilárd oldatok kristályo sodása a) egyensúly i diagram szerinti kristályos odás; b) nem egyensúly i szerkezet 57

62 kifejlődés e FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Az eutektikum kialakulása Jó néhány ötvözet kristályosodása során a színfém vagy a szilárd oldat kiválása olyan összetételű olvadékhoz vezet, amelyik mindkét fázisra nézve telítetté válik. Ekkor az olvadékból állandó hőmérsékleten, két fázisból álló szövetelem, eutektikum kristályosodik. A 43 [58]. ábra az eutektikus egyensúlyi diagramot és a különféle jellegű eutektikumokat szemlélteti. 43. ábra. Az eutektiku s kristályo sodás a) az eutektiku s ötvözetre ndszer egyensúly i diagramja ; b) szemcsés eutektiku m; c) tűs eutektiku m; d) szálas eutektiku m; e) lemezes eutektiku m 58

63 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Az egyensúlyi diagram jelölései alapján az eutektikus reakció a következő, a összetételű olvadékból és összetételű és szilárd oldat keletkezik:. Az eutektikum két fázisa az és a szilárd oldat. Kettőjük közül az egyik túlhűlésre kevésbé hajlamos, korábban jelenik meg az olvadékban, és csíraképzőként szerepel. Kiválását követi a második fázis megjelenése. A kristályosodás során létrejövő eutektikum szerkezetét a csíraképződés és a határfelületi energia viszonya határozza meg. Amennyiben valamelyik fázisnak nagy a csíraképződési hajlama, és a két fázis közötti határfelületi energia is viszonylag nagy, akkor a kialakuló szerkezet finomszemcsés (globulitos) lesz. Ha a határfelületi energiának nincs szerepe, a finom részecskék tűszerűen fejlődnek. Ha a csíraképződési sebesség kicsi, és határfelületi energia elég nagy, akkor nagyobb térfogatrészekből álló, rúd alakú eutektikum fejlődik. Amennyiben a csíraképződési sebesség és a határfelületi energia egyaránt kicsi, lemezes eutektikum jön létre. Ekkor a határfelületi energia hatására a lemezek abban az irányban fejlődnek, amelyik kristálytani irányban a két fázis között a határfelületi energia a legkisebb A fogyási üreg és a porozitás keletkezése A kristályosodás fontos kísérő jelensége a fajtérfogat 2 6%-os csökkenése, az ún. fogyás. Ez a jelenség mind a színfém, mind a szilárd oldat, mind az eutektikum megszilárdulása közben lezajlik. Oka, hogy az olvadékban viszonylag rendezetlenül elhelyezkedő fématomok szilárd állapotban szigorú geometriai rendet alkotva, a legsűrűbb térkitöltésre törekedve hozzák létre a kristályos szerkezetet. A fogyás eredményeként a formában lévő fémtömeg a kristályosodás végén kisebb térfogatot tölt ki, mint amekkorát olvadt állapotban. Erős hűtőhatású, hideg fémformában a kristályosodás a forma fala mellett vékony kéreg képződésével indul meg (44 [59]. ábra). A kéreg kristályosodása csökkenti a fémtömeg térfogatát, ennek folytán a folyékony fém szintje kissé süllyed. Erre a kéregre kristályosodik a következő réteg, amely az olvadékszint további süllyedését okozza. A folyamat végeredményeként az önt6vényben kúp alakú összefüggő fogyási üreg (lunker) képződik. 44. ábra. Fogyási üreg képződés e 59

64 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Nagyon lassú hűtéskor, vastag falú homokformába öntve a fémolvadékot, mindig azonos hőmérsékletű lesz az egész keresztmetszet. Ennek következtében az öntvény teljes térfogatában nagyjából egyszerre kezdődik meg a kristályosodás, és azonos ütemben folytatódik. A fémötvözetek rendszerint dendritesen kristályosodnak, s a keletkező kristályok nagyon hamar átszövik az öntvény egész keresztmetszetét. Szilárd vázat képeznek már akkor is, amikor az öntvény nagyobbrészt még folyékony. Ez a folyékony rész kristályosodik rá a dendritekre a fajtérfogat csökkenése közben. Tekintve, hogy a kristályosodás a dendritek közötti térfogatrészben fejeződik be, a kisméretű fogyási üregek is itt keletkeznek (45 [60]. ábra). Ezeket az apró fogyási üregeket pórusoknak vagy porozitásnak nevezzük. Az ily módon megszilárdult öntvény porozitásának összes térfogata megegyezik az öntvény teljes tömegének fogyásával. 45. ábra. A porozitás kialakulá sa a lassan hűlő olvadékb an 60

65 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA A gyakorlatban a fogyási üreg és a porozitás együtt fordul elő, a lassúbb hűlés a porozitás, míg a gyors hűtés a fogyási üreg kialakulásának kedvez A fémötvözetek átalakulásai szilárd állapotban A meghatározásból következik, hogy nemcsak a fázisátalakulásokról lesz szó, hanem olyan folyamatokról is, amelyek a képlékeny alakváltozás miatt megnövekedett energia hatására, vagy a felületi feszültség, esetleg külső mechanikai erő hatására következnek be. Ezek a folyamatok (újrakristályosodás, szemcsedurvulás, ikerkristály képződése mechanikai terhelés hatására) hasonlóan mennek végbe, mint a fázisátalakulások, így ezeket együttesen tárgyalhatjuk. A szilárd állapotban végbemenő átalakulások hajtóereje az, hogy az anyagok mindig a legkisebb energiaállapot elérésére törekednek (46 [61]. ábra). Ha az anyag metastabil (pl. hidegalakítás hatására nagy diszlokációsűrűségű), akkor az átalakulás csak magasabb energiaállapoton keresztül következhet be, ezért kell az anyagokat hevíteni (hőkezelni), hogy az átalakulás elindulhasson. Ha az anyag instabil, akkor bármilyen atomi átrendeződés alacsonyabb energiájú állapotot eredményez, energiagát nincs. Éppen ezért instabil fázis, ill. instabil állapot csak ideiglenesen létezhet. 46. ábra. A stabil, a metastab il és az instabil állapot mechani kai szemlélte tése Az átalakulások csoportosítása Mivel az átalakulás az atomokból álló kristályszerkezet átrendeződése, kézenfekvő, hogy ez az átrendeződés legyen csoportosításuk alapja. 61

66 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA A legtöbb gyakorlati jelentőségű átalakulás heterogénnek tekinthető. Ekkor az átalakulás közben az anyagban együtt figyelhetők meg az átalakult és az át nem alakult térfogatrészek (47 [62]. ábra). A homogén átalakulás során az anyag teljes térfogatában egyszerre zajlik a változás. Ilyen homogén átalakulás a szilárd oldatok rendeződése. Tekintve, hogy ennek gyakorlati jelentősége kisebb, részletesebben nem foglalkozunk vele. 47. ábra. A szilárd állapotba n lezajló átalakulá sok csoportos ítása A heterogén átalakulásokat további két csoportra oszthatjuk, mégpedig aszerint, hogy az átalakult térfogatarány hogyan függ a hőmérséklettől és az időtől. A két csoport a martenzites, ill. a csíraképződéssel és növekedéssel zajló folyamat. A martenzites átalakulás alkalmával a kiindulási fázis atomjai összehangolt mozgással hozzák létre az új fázist. A két fázisban a legtöbb atomnak azonos a legközelebbi szomszédja, az atomok keveredése nem következik be. Azt is mondhatjuk, hogy az ilyen reakció diffúzió nélkül megy végbe. A csíraképződéssel és növekedéssel végbemenő átalakulásokban az új fázis a régi rovására nő oly módon, hogy az inkoherens fázishatár vándorol. A növekedés annak a következménye, hogy az atomok egyedi atommozgással átlépik ezt a határt, természetesen a hőmérséklettől függő sebességgel. A bénites átalakulás a két fő átalakulás között helyezkedik el. Létrejöttekor az atomok összehangolt mozgása mellett a diffúziónak is van szerepe A kristálycsírák képződésével és növekedésével zajló folyamatok Az átalakulás stabil kristálycsírák képződésével, s növekedésével megy végbe. Az újonnan létrejövő fázis térfogataránya adott hőmérsékleten az idő függvényében fokozatosan nő. Ha elég időt hagyunk, az átalakulás teljesen végbemegy. Mivel az atomok egymástól függetlenül mozognak, és nincs hasonlóság a kiindulási és a végső állapot között, az átalakulás nem megfordítható (irreverzibilis). A képlékeny alakítás gyorsítja a folyamatokat, mert az alakított kristályban könnyebben képződik csíra, és az alakítás a 62

67 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA vakanciaszámot növelve a diffúzió sebességét is változtatja. A reakciótermékek és a kiindulási fázis összetétele között nincs kapcsolat. Ugyancsak nem fedezhető fel orientációs összefüggés a kiindulási fázis és az új fázisok között. Tekintve, hogy az atomok egyenként lépnek át az egyik fázisból a másikba, és ez csak az inkoherens fázishatáron lehetséges, ezért az ilyen átalakulások fázishatárai általában inkoherensek. Az újrakristályosodás a csíraképződéssel és növekedéssel zajló átalakulások közül a legjellegzetesebb. Az újra kristályosodás az olvadékból való kristályosodáshoz hasonlóan megy végbe, a folyamatot az csíraképződési és a növekedési sebesség jellemzi. A folyamatot a 48 [63]. ábra figyelhetjük meg. 48. ábra. Az újrakrist ályosodá s folyamat a a) a kristálycs írák megjelen ése; b) c) d) e) az új kristályok növekedé se; f) az újrakristál yosodott szövet szemcsed urvulása 63

68 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Az újrakristályosodott térfogatarány adott hőmérsékleten az idő függvényében S alakú görbének megfelelően változik (49 [64]. ábra). Időben állandó csíraképződési és a növekedési sebesség esetén az átalakult térfogatarány változása az Avrami-egyenlettel írható le:, ahol az átalakult fázis által elfoglalt térfogat aránya; a hőkezelés ideje. 49. ábra. Az újrakrist ályosodot t térfogata rány időbeni változása 64

69 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Az újrakristályosodás végén kialakuló szemcsenagyság az csíraképződési sebesség és a növekedési sebesség arányától függ a következő módon:, mm; ahol az újrakristályosodott szemcsék átlagos átmérője. A hidegalakítás mértékének fokozása növelve a diszlokációsűrűséget a csíraképződési sebesség növekedéséhez vezet, s így finom szemcséket eredményez. Ezzel szemben a hőmérséklet növekedése elsősorban a diffúziós sebességet ezzel együtt a növekedési sebességet fokozza, ezáltal durvább szemcseszerkezetet hoz létre. A hőmérséklet és az alakítás mértékének hatását az újrakristályosodás végén kialakuló szemcsenagyságra az újrakristályosodási diagram szemléltet (50 [65]. ábra). 50. ábra. Az újrakrist ályosodá s végén kialakuló szemcsen agyság 65

70 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Az újrakristályosodási küszöb azt a legkisebb alakítást jelenti, amely alatt újrakristályosodás egyáltalán nem következik be. Csak az újrakristályosodási küszöbnél nagyobb alakítás növeli meg annyira a kristályos anyag energiatartalmát, amely kellő hőmérsékleten az előzőkben ismertetett folyamatokhoz vezet. Természetesen az újrakristályosodásnak határhőmérséklete is van, amely felett a diffúzió már olyan sebességgel zajlik, ami az új csírák megjelenéséhez és növekedéséhez szükséges. A szövetszerkezetben megfigyelhető újrakristályosodás eredményeként mechanikai lágyulás is bekövetkezik (51 [66]. ábra). 51. ábra. A megújulá s (a diszlokác iós szerkezet megválto zása), az újrakrist ályosodá s (csírakép ződéssel és növekedé ssel járó átalakulá s) és a szemcsed urvulás folyamat a 66

71 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Kisebb hőmérsékleten az újrakristályosodást megelőzően már módosul a diszlokációs szerkezet, csökken a diszlokációsűrűség, a diszlokációk rendeződnek, és kis szögű szemcsehatárokat hoznak létre (52 [67]. ábra). Ennek következtében a keménység, ill. szilárdság kisebb mértékben csökken. A folyamat összefoglaló neve: megújulás. A kis diszlokációsűrűségű, lágy kristályok megjelenésének és növekedésének, az újrakristályosodásnak a hatására a keménység jelentősen csökken. A teljesen újrakristályosodott anyagban további változások figyelhetők meg. Az új szemcsék durvulnak, fajlagos felületük kisebb lesz. Ezt a folyamatot szemcsedurvulásnak nevezzük, amelynek következtében a keménység is tovább csökken. 52. ábra. A kis szögű szemcseh atárok kialakulá sa a) nagymért ékben 67

72 alakított szerkezet; b) kis szögű szemcseh atárok kialakulás a; FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA c) a b) ábra nagyított részlete; a diszlokáci ók sorokba rendeződ ése Az eutektoidos reakciókiindulási állapota homogén szilárd oldat ( ). Az állandó hőmérsékleten végbemenő reakció során két új fázisból (ötvözőben szegényebb: és ötvözőben dúsabb: ) álló szövetelem (ún. eutektoid) keletkezik. A keletkező fázisok rácsa különbözik a kiindulási kristályos szerkezettől. Eutektoidos átalakulás csak olyan ötvözetben fordulhat elő, ahol az alapfémnek allotrop átalakulása is van. A folyamat lényege, hogy az allotrop átalakulás és az ötvözőben dús (vegyület) fázis kiválása egyszerre zajlik. A keletkező két fázis között orientációs kapcsolat van, határuk félkoherens. A folyamat csíraképződéssel és a stabil csírák növekedésével megy végbe. A csíraképződés alkalmával először az ötvözőben dúsabb fázis térfogatrészei jönnek létre, majd erre kristályosodik az ötvözőben szegényebb fázis. A folyamat előrehaladásához az ötvöző fém atomjainak az határról a fázis határára kell diffundálniuk (53 [68]. ábra). Az átalakulás sebessége két részfolyamattól függ. 53. ábra. Az eutektoid os szövetele m kialakulá sa ötvözőbe n szegénye bb fázis; 68

73 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA ötvözőbe n dúsabb fázis; kiindulási homogén fázis 1. A csíraképződési sebesség amely az allotrop átalakulással van kapcsolatban a túlhűtés függvényében növekvő értéket mutat. Ez azt jelenti, hogy minél nagyobb a túlhűlés, annál kisebb a növekedésre képes csírák mérete, így a csíraképződés időszükséglete csökken. Amennyiben az egyensúlyi hőmérséklethez közelítünk, a a nullához tart, a kritikus csíra mérete egyre nő, ezzel a kialakulásához szükséges idő is növekszik. 2. A stabil csírák növekedése, amelyet a diffúzió befolyásol. A kiindulási homogén szilárd oldatból ugyanis egy ötvözőben dús és egy ötvözőben szegény fázisokból álló szövetelem létrejöttéhez diffúzióra van szükség. A hosszú távú diffúzió biztosítja az ötvözőfém ilyen értelmű szétválását. A diffúzió sebessége a hőmérséklet emelkedésével nő, ebből a szempontból a folyamat nagyobb hőmérsékleten egyre gyorsabbá válik. A két hatás eredményeként az eredő (csíraképződésből és azok növekedéséből álló) folyamat sebessége a hőmérséklet függvényében szélső értéket mutat (54 [69]. ábra). Az így kialakuló görbét C görbének nevezzük. Ezek a görbék alkalmasak az eutektoidos átalakulások időszükségletének meghatározására. Az eutektoidos átalakulások legismertebb példája az Fe-C rendszer perlitjének kialakulása. 54. ábra. Az eutektoid os reakció sebessége 69

74 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Martenzites jellegű átalakulások A martenzites jellegű átalakulás csak szilárd állapotban fordul elő. Fő jellegzetessége, hogy nincs diffúzió. Több ezer atom nagy sebességgel, összehangolt mozgást végezve hozza létre az új fázist. Az új fázis és az eredeti fázis összetétele megegyezik. Az átalakult térfogatarány a hőmérséklettől függ. Hűtéskor az átalakulás adott hőmérsékleten kezdődik, és az hőmérsékleten fejeződik be, bizonyos esetekben előfordul, hogy egyáltalán nem fejeződik be. A martenzites reakciók visszafordíthatóak (reverzibilisek), abban az értelemben is, hogy a kiindulási atomi elrendeződést ismételten elő lehet állítani. A martenzites átalakulás során minden egyes kristály változatlan összetételű új kristálláy alakul. A martenzites kristályok síkmetszetei tű alakúak, a térben viszont vékonyodó lemez keresztmetszetűnek tekinthetőek. Ezek a lemezek az eredeti rácshoz képest orientáltak, s a rácsnak azt a síkját, amelyen létrejöttek, habitussíknak nevezzük. A martenzites reakció mindig alakváltozással jár. Martenzites átalakulás esetén mindig határozott összefüggés van az eredeti és az új fázis orientációja között. Ebből következik, hogy a martenzittűk vagy lemezek határa koherens vagy félkoherens. A martenzites átalakulás egyik legegyszerűbben érthető formája a külső mechanikai feszültség hatására bekövetkező ikresedés. Az atomok nem egyedileg, hanem szomszédaikkal együtt, összehangolt mozgás eredményeként hozzák létre az ikerkristályt (55 [70]. ábra). A határ szigorúan koherens. A fémtani szövetben ezeket az ikerkristályokat egymással párhuzamos vonalak, kristályhatárok jelzik. A gyakorlat számára a legfontosabb az Fe-C ötvözetrendszer martenzites átalakulása. 55. ábra. A mechani kai ikerképz ődés 70

75 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA Bénites átalakulás A bénites átalakulás a martenzites és a csíraképződéses növekedéses átalakulás közé esik. Tulajdonképpen olyan martenzites reakció, amelynek előrehaladását diffúzió teszi lehetővé. Ekkor a túlhűtés nem elég nagy a martenzites átalakuláshoz, de a fázishatár két oldala közötti energiakülönbséget a diffúziós folyamat megnöveli olyan mértékben, hogy kevés martenzit jön létre. A felső bénit létrejöttekor a diffúzió főként a kiindulási fázisban megy végbe, azaz a kiválás megelőzi a martenzites átalakulást. Alsó bénit képződése esetén a diffúzió a már kialakult fázisban, a martenzitben megy végbe. Ez a folyamat a martenzit megeresztődéséhez hasonlítható. A bénites reakció eredményeként mindig kétfázisú szerkezet jön létre. 3. Kérdések, feladatok 1. Mikor beszélhetünk homogén csíraképződésről? Mit nevezünk heterogén csíraképződési mechanizmusnak? 2. Hogyan lehet kiszámítani a kritikus csíra méretét? 3. Mi a csíraképződési és a növekedési sebesség mértékegysége? 4. Milyen feltételek esetén alakul ki finom szemcsenagyság? 5. Milyen alakú lehet az olvadék-szilárd határfelület? 6. Milyen körülmények között jön létre kristályosodás közben a dendrit? Milyen matematikai összefüggéssel lehet leírni a viszonyokat? 7. rajzolja fel az összetételi túlhűlés elvi ábráját! Magyarázza meg a síkfront felbomlását! 8. Mit értünk nem egyensúlyi kristályosodás alatt? 9. Milyen szerkezetű eutektikumokat ismer? Milyen feltételek között keletkeznek? 10. Mi a különbség a fogyási üreg és a porozitás között? Hogyan jönnek létre? 11. Hogyan lehet csoportosítani a szilárd állapotban végbemenő átalakulásokat? 12. Milyen típusai vannak a heterogén átalakulásnak? 71

76 FÉMÖTVÖZETEK KRISTÁLYOSODÁSA ÉS ÁTALAKULÁSA 13. Mi az újrakristályosodás lényege? Hogyan változik az átalakult térfogatarány az idő függvényében? 14. Rajzolja fel az újrakristályosodási diagramot! Mitől függ az újrakristályosodás végén kialakuló szemcsenagyság? 15. Mutassa be az eutektoidos reakciót! 16. Milyen folyamatokban van jelentősége az atomok összehangolt mozgásának? Rajzoljon ilyen jellegű átalakulást! 17. Milyen szerepe van a diffúziónak a bénites átalakulásban? 72

77 6. fejezet - GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A vas-szén ötvözetrendszer Az ipari vasötvözetekben a vas legfontosabb ötvözője a szén. A gyakorlati vasötvözetek a szén mellett mindig tartalmaznak néha csak századszázalék mennyiségben egyéb ötvözőelemet is, ennek ellenére a legnagyobb mennyiségben használt vasötvözetek vas-szén (Fe-C) ötvözeteknek tekinthetők. A fémtanban, a metallográfiában, a kohászati gyakorlatban az elemi szén neve: karbon. De használják a szén megjelölést is. 56. ábra. A vasszén ötvözetek Heyn Charpyféle ikerdiagr amja A Fe-C ötvözetek egyensúlyi diagramjában, közös koordináta-rendszerben két diagramot ábrázolunk, ezért ezt a diagramot Heyn Charpy-féle ikerdiagramnak is nevezzük (56 [73]. ábra). Az ábrán a nevezetes pontokat egyezményes betűkkel jelöljük. A pontok hőmérséklet- és koncentráció-adatait a 3 [73]. táblázat, az egyes hőmérsékletek, szövetelemek megnevezését pedig a 4 [74]. táblázat tartalmazza. A diagram az egész ötvözőrendszert csupán 6,67% széntartalomig ábrázolja. A nagyobb széntartalmú ötvözetekre nincs elég megbízható adat, de ezeknek a vasötvözeteknek nincs is gyakorlati jelentőségük

78 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK táblázat. Az Fe-C diagram nevezetes pontjai Ikerdiagramra azért van szükség, mert a szén a vasötvözetekben kétféle alakban jelenhet meg: mint elemi szén grafit alakjában, vagy megkötött szén, vas-karbid (, ún. cementit) alakjában. A két diagram közül az egyensúlyi feltételeknek a grafitos rendszer felel meg, ezért ezt stabilis rendszernek hívjuk, szemben a metastabilis karbidos rendszerrel. A diagramban folytonos vonal ábrázolja a karbidos állapotokra érvényes részeket. A grafitos (stabilis) rendszer vonalai sok helyen megegyeznek a karbidos rendszer megfelelő vonalaival. Ahol a két diagram között eltérés van ott a grafitos rendszerre érvényes vonalak szaggatottak. Ez utóbbiak mindig nagyobb hőmérsékleten (felette) futnak, mint a megfelelő metastabilis vonalak. A szaggatott vonalakhoz tartozó betűjeleket vessző (pl. E') jelöli. 4. táblázat. Az Fe-C diagram ban használat os megneve zések 74

79 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A kisebb széntartalmú vasötvözetek mindig karbidosan kristályosodnak. A nagyobb széntartalmú ötvözetek is inkább kristályosodnak metastabilisan, mint stabilisan. Ennek oka az, hogy a grafit kristálycsírái nagy késéssel (túlhűléssel) kezdenek képződni az olvadékban, és még a grafit kristálycsírák megjelenése előtt az olvadék annyira túlhűl, hogy megkezdődik a vas-karbid kristályosodása. Ezek után a grafit már nem jelenhet meg, mert a karbid rohamos képződése és növekedése érvényesül A metastabilis ( - ) ötvözetek diagramja A diagram a 4 fejezetben megismert korlátozott oldékonyság esetére érvényes ideális eutektikus diagramra hasonlít. Jelen esetben az eutektikum fázisait egy szilárd oldat és egy vegyület alkotja. A vasnak a hőmérséklet változásával három allotróp módosulata van: a térben középpontos kockarácsú -vas ún. ferrit, a magasabb hőmérséklet-tartományban érvényes, felületen középpontos kockarácsú -vas az ún. ausztenit, és a legmagasabb hőmérsékletű módosulata, a szintén térben középpontos kockarácsú -vas. Mindhárom módosulat szilárd oldat. Ennek megfelelően a diagramban az eutektikus diagramra jellemző vonalak (B-C, C-D, J-E, E-S), az allotrop átalakulás kezdő, ill. befejező hőmérsékletét jelző vonalakkal (N-H, N-J, G-S, G-P) egészülnek ki. Mivel a szén mint ötvözőelem a módosulatot stabilizálja, a növelésével az ausztenit területe bővül, ezért a G pontból az átalakulást jelző görbék lefelé, míg az N pontból felfelé indulnak el. Amikor az allotrop átalakulást jelző görbék metszik a diagram kristályosodást (J-E), ill. túltelített szilárd oldatból való kiválást (E-S) jelző vonalait, akkor a három különböző fázis jelenléte miatt nonvariáns folyamatok játszódnak le a H-J-B és a P-S-K egyenesek mentén. A következőkben ezeket a folyamatokat vizsgáljuk meg részletesen. A likvidusz három ágú, ennek megfelelően a 0,51%-nál kisebb széntartalmú ötvözetekben az A-B ág szerinti hőmérsékleten a szilárd oldat kezd kristályosodni a szolidusz A-H ágának megfelelő összetétellel. A likvidusz B-C ágának megfelelő széntartalom esetén az olvadékból szilárd oldat kristályosodik primeren. A likvidusz C- D ága a vas-karbid bizonytalanul ismert kezdeti kristályosodási hőmérsékleteit köti össze. A diagramban három állandó hőmérsékleten zajló (nonvariáns) folyamat van: Peritektikus reakció (H-3-B egyenes) on: 0,1...0,51% C-tartalmú ötvözetekben, on, a korábban primeren kristályosodott C-tartalmú -vas reakcióba lép a C-tartalmú olvadékkal, és a reakció termékeként C-tartalmú szilárd oldat keletkezik. Ha a kiindulási összetétel a (0,1%C) és (0,16%C) pontok közé esik, akkor a peritektikus reakció végén a - fázis mellett -fázis marad. Ha a kezdeti ötvözet C-tartalma pontosan a pont szerinti (0,16%), akkor csak szilárd oldatot találunk a reakció végén. Ha az összetétel az (0,16% C) és B (0,51% C) pontok közé esik, akkor a mellett olvadék marad: 75

80 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK (megmarad) (megmarad) Eutektikus kristályosodás (E-C-F egyenes) on: Az olvadékból C-tartalmú szilárd oldat és C-tartalmú vegyület egyszerre kristályosodik. Az így létrejött kétfázisú eutektikum neve lédeburit. Eutektoidos átalakulás (P-S-K egyenes) -on: Az C-tartalmú szilárd oldatból C-tartalmú ferrit ( ) és C-tartalmú cementit ( ) válik ki. Az így képződött szövetelemet perlitnek nevezzük. Jellemző vonalak még a diagramban a szilárd oldatok oldhatósági határát jelölő görbék: így az ausztenit oldhatósági határát jelölő vagy, illetve a ferrit szénoldó képességét mutató P-Q vonalak. A diagramnak megfelelően a túltelített ausztenitből vegyület, más néven megkülönböztetve a primeren kristályosodott fázistól, szekunder cementit válik ki. A ferrit oldottszén-tartalma szintén az vegyület kiválásával csökken, ezt a fázist tercier cementitnek hívjuk. Az M-O egyenes jelzi a Curie-hőmérsékletet, a ferromágneses átalakulás hőmérsékletét A stabilis (Fe-grafit) ötvözetek diagramja Mindazok a vonalak, amelyek a vas módosulatainak és azok széntartalmú szilárd oldatainak képződésére vonatkoznak, mindkét diagramban közösek. Az eutektikusnál nagyobb széntartalmú ötvözetekben a primer cementit helyett primer grafit kristályosodik. A lédeburit helyett a stabilis rendszerben grafitos eutektikum szilárdul meg. A túltelített ausztenitből az S' E' vonalnak megfelelően szekunder, a túltelített ferritből tercier grafit válik ki. Az eutektoidos átalakulás során az ausztenit ferritnek és grafitnak az eutektoidjává alakul át. A grafit túlhűlésre hajlamos kristályosodása miatt stabilis módon csak akkor szilárdul meg az ötvözet, ha széntartalma nagyobb, mint 2%, a lehűlés kellően lassú, és a cementit stabilitását csökkentő ötvözőelem is jelen van. Ilyen hatása elsősorban szilíciumnak van. Ha a vasötvözet szilíciumot nem tartalmaz, és a cementit stabilitását növelő ötvözőfém (pl. króm vagy mangán) van az ötvözetben, akkor még a 4...6% széntartalmú ötvözetek is metastabilisan kristályosodnak. A vasötvözetekről a töretük alapján mikroszkópos vizsgálat nélkül is megállapíthatjuk, hogy miként krsitályosodtak. A grafitos vasötvözetek ugyanis mindig a grafitkristályok mentén törnek, a törésfelületen tehát sötétszürke grafitkristályok vannak. A grafitos vasötvözet szürke színű, míg a karbidos vasötvözetek törete világosabb, ezüstös színű. A grafitos vasötvözeteket ennek megfelelően szürkének, míg a karbidosokat fehérnek is nevezzük A vas-szén ötvözetekben előforduló szövetelemek A gyakorlati vasötvözeteket széntartalmuk szerint két csoportra osztjuk: a 2%-nál kevesebb szenet tartalmazó ötvözeteket acéloknak, az ennél nagyobb széntartalmú ötvözeteket öntöttvasaknak hívjuk. Az S pontnak megfelelő összetételű acélt eutektoidos acélnak nevezzük. Ha a széntartalom az eutektoidosnál kevesebb, akkor hipoeutektoidos acélról, ha több, akkor hipereutektoidos acélról beszélünk. Ennek megfelelően használjuk az eutektikus, hipoeutektikus és hipereutektikus összetételű öntöttvas fogalmát is. Vizsgáljunk meg néhány konkrét ötvözetben lezajló kristályosodási, ill. átalakulási folyamatot. Acélok:. 76

81 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A kristályosodás szilárd oldat megjelenésével kezdődik az A-B likvidusznak megfelelő hőmérsékleten, és az A-H szolidusz szerinti összetétellel. Az on végbemegy a peritektikus reakció, amelynek végén az összes olvadék elfogy, a reakció termékeként létrejött ausztenitet és a megmaradt szilárd oldatot találjuk a szövetben. Ezt követően, a hőmérséklet csökkenése közben, allotrop átalakulás során, a maradék szilárd oldat ausztenitté alakul. Amikor a hőmérséklet eléri a G-S görbe szerinti értéket, a felületen középpontos ausztenit, G-P görbe szerinti összetételű, térben középpontos ferritté alakul át, a hőmérséklet csökkenése közben. A folyamat csíraképződéses növekedéssel zajlik. A ferritcsírák az ausztenit-szemcsehatárokon jelennek meg először. A ferrit kiválása az ausztenit széntartalmát (a G-S vonal szerint) növeli. Az hőmérsékleten az ausztenit széntartalma eléri az S pontnak megfelelő értéket, ekkor a maradék ausztenit eutektoidos átalakulás közben perlitté alakul. Ekkor a kialakult szövet a volt ausztenit-szemcsehatárokon elhelyezkedő proeutektoidos ferritből, ill. (az eutektoidos átalakulás előtt keletkezett) perlitkolóniákból áll. Perlitkolóniának nevezzük az egy csírából növekedett perlitet, amelyet egymással párhuzamosan elhelyezkedő ferrit- és cementitlemezek alkotnak (57 [77]. ábra). Egy kolónián belül a perlitlemezek távolsága állandó. 57. ábra. Proeutek toidos ferrit- és perlitkol óniák (200x-os nagyítás) 77

82 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A darab szobahőmérsékletre való lehűlése közben a ferritfázisból (mind a proeutektoidos ferritből, mind a perlit ferritjéből) tercier cementit válik ki. A keletkezett szövetelemek (ferrit+perlit) mennyiségét a kiindulási összetétel határozza meg. Ha a széntartalom kisebb, akkor a perlit keletkezését több proeutektoidos ferrit kialakulása előzi meg, így kevesebb perlitet találunk a szövetben. Ha a kiindulási összetétel az S ponttal egyezik, akkor a 100% perlit alkotja a próba szövetét (58 [78]. ábra ) ábra. Perlit (N = 960x-os nagyítás) 78

83 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A homogén olvadékból a B-C likvidusznak megfelelő hőmérsékleten ausztenit kezd kristályosodni az I-E szolidusznak megfelelő összetétellel. A megszilárdulás a hőmérséklet csökkenése közben, az olvadék és a szilárd fázis koncentrációjának folyamatos változásával következik be. Amikor a szilárd fázis összetétele eléri az kiindulási összetétel értékét, befejeződik a kristályosodás. Ezt követően a 100%-ban szilárd oldatot tartalmazó darab hűl egészen az E-S görbének megfelelő hőméréskletig. A görbét átlépve, a túltelítetté vált szilárd oldatból a szintén proeutektoidés szövetelem, a szekunder cementit válik ki a szemcsehatárokon csíraképződéssel. A cementit kiválása az ausztenit széntartalmának csökkenését vonja maga után. Amikor az előző pontban említett módon a széntartalom eléri az S pontnak megfelelő értéket, végbemegy az eutektoidos átalakulás. A lehűlt próba szövetét, a volt ausztenit-kristályhatárokon elhelyezkedő szekunder cementit és perlit alkotja (59 [79]. ábra). 59. ábra. Szekund er cementit és perlit (200x-os nagyítás) 79

84 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK. Ezekben az acélokban szilárd oldat kristályosodik primeren, amely a H-N, H-I görbék szerint átalakul ausztenitté, az ausztenit pedig G-S, G-P görbék szerint ferritté. Ezt követően a ferritből tercier cementit válik ki, részben a ferrit kristályhatárokon, részben a kristályok belsejében. Ezekben az ötvözetekben nincs nonvariáns folyamat. Fehér öntöttvasak. A kristályosodás a szilárd oldat megjelenésével kezdődik a B-C görbe szerinti hőmérsékleten a szolidusz szerinti összetétellel. Az ausztenit folyamatos megszilárdulásával az olvadék széntartalma egyre nő. Amikor eléri a C pontnak megfelelő értéket, akkor nonvariáns folyamat során a maradék olvadék ausztenitből és cementitből álló eutektikummá szilárdul. Ennek az eutektikumnak igen jellegzetes morfológiája van, ezért külön elnevezéssel lédeburitnak hívjuk. Ezt követően a hőmérséklet csökkenése közben a primeren kristályosodott (proeutektikus) ausztenitből és a lédeburit ausztenitjéből is az görbének megfelelően szekunder cementit válik ki. Amikor az ausztenitfázisok összetétele eléri az S pontnak megfelelő értéket, akkor végbemegy az eutektoidos átalakulás. Természetesen a lédeburit ausztenitje is átalakul perlitté, viszont az átalakulás után is megmarad az eutektikus kristályosodáskor kialakult morfológia, ezért az átalakulás után kialakult szövetet is lédeburitnak hívjuk (60 [81]. ábra). 80

85 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK. 60. ábra. Hipoeute ktikus fehér öntöttvas (primér ausztenit és lédeburit ), (50x-es nagyítás) A kristályosodás primer nagyméretű cementitlapok megjelenésével kezdődik. A cementitkiválás miatt a széntartalom egészen a C pontnak megfelelő értékéig csökken az olvadékban. Ekkor a már ismert módon végbemegy az eutektikus reakció, azt követően a szekunder cementit kiválása, majd az eutektoidos átalakulás (61 [82]. ábra). 81

86 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK 61. ábra. Hipereut ektikus fehér öntöttvas (primer cementit és lédeburit ) (200xos nagyítás) Szürke öntöttvasak. A primer ausztenit megjelenését követő eutektikus kristályosodás során az eutektikum fázisait ausztenit és grafit alkotja. Ezt a szövetelemet grafitos eutektikumnak hívjuk. Ezt követően a túltelített szilárd oldatból grafit válik ki, és az eutektoidos átalakulás során a ferrit mellett grafit alkotja az eutektoid fázisait. 82

87 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Előfordulhat, hogy a kristályosodás grafitosan vagyis stabilis módon az átalakulás pedig karbidosan (metastabilis módon) megy végbe. Ez esetben az eutektikum ausztenitből és grafitból, az átalakulás során létrejött eutektoid pedig ferritből és cementitből áll (62 [83]. ábra). 62. ábra. Grafit és perlit (200x-es nagyítás). A kristályosodás primer grafit lemezek megjelenésével kezdődik bizonytalan hőmérsékleten, majd azt grafitos eutektikum megjelenése követi. A túltelített szilárd oldatból való kiválás után az átalakulás lehet grafitos vagy karbidos. Az eutektikumot tartalmazó, kereken 2%-nál nagyobb széntartalmú vasötvözetekben kialakuló szövet ezek szerint háromféle lehet: 83

88 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Az ötvözet karbidosan kristályosodik és karbidosan alakul át; szövetelemei ekkor lédeburit és perlit. A kristályosodás grafitosan az ausztenit átalakulása pedig karbidosan megy végbe. Az ilyen vasötvözet szövetében grafiton kívül perlit van. Ekkor a vasötvözetet szürke töretű perlitesnek nevezzük. A kristályosodás és az átalakulás is grafitos, a szövetben a grafiton kívül csak ferrit van. Ekkor szürke töretű ferrites vasötvözetről beszélünk Nem egyensúlyi szövetelemek kialakulása A Fe-C egyensúlyi diagramból látható, hogy a szobahőmérsékletre hűlt próbadarabok szövetének kialakulását döntően az ausztenit átalakulása határozza meg. A diagram alapján megismertük, hogy milyen az ausztenit egyensúlyi körülmények közötti eutektoidos átalakulása. A perlit a kialakulását a széndiffúziónak, ill. az ausztenitnek az átalakulási hőmérséklet alá való túlhűtésének köszönheti, vagyis csíraképződéses, növekedéses folyamatnak. A csíra mindig cementit, amely rendszerint az ausztenit kristályhatárán jelenik meg, növekedni pedig úgy tud, hogy az ausztenitből megfelelő mennyiségű szénatom diffundál a lemezhez. Ennek megfelelően a csíra környezete szénben elszegényedik, és ekkor megjelenik a ferritcsíra, majd újra cementitcsíra stb. A továbbiakban mindkét lemezke növekedik. A perlitkolóniában a ferritkristályok kristálytani orientációja megegyezik. Ugyanez vonatkozik a cementitlemezekre is. A kialakult lemezes szerkezetben a lemezek közti távolság, vagyis a perlit finomsága függ az átalakulási hőmérséklettől. Ötvözetlen acélokban ha az ausztenitet sikerül megfelelően gyors hűtéssel -ra lehűteni a nagymértékű túlhűlés miatt igen nagy lesz a hajtóerő, amely igyekszik az ausztenitet ferritté átalakítani. A rács ezért átalakul, a felületen középpontos rács térben középpontossá válik. A ferrit azonban sokkal kevesebb szenet képes oldani, mint az ausztenit,. s mivel kisebb hőmérsékleten a diffúzió jóval lassúbb, ezért a túltelítetté vált ferritből a szén nem tud kiválni, oldatban marad, tetragonálissá torzítva a térben középpontos rácsot. Ilyen esetben az ausztenit átalakulása diffúzió nélkül a rács átbillenésével, az atomok együttes elmozdulásával megy végbe. Ezt a fajta átalakulást (l. az pontot) martenzites átalakulásnak, a keletkezett tűs jellegű szövetelemet pedig martenzitnek hívjuk (63 [84]. ábra). A martenzites átalakulás során tehát nem változik meg az atomok egymáshoz képesti helyzete, csak a távolsága. Ebből következik, hogy a martenzit az ausztenit meghatározott kristálytani síkjai mentén keletkezik. A kristálytani síkok és irányok között a következő orientációs kapcsolatot figyelték meg a két fázisban: 63. ábra. Martenzi t (200x-es nagyítás) 84

89 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Az ún. habitussíkon az atomok a helyükön maradnak. Kis széntartalom esetén az ausztenit esetén a indexű síkjait találták ilyennek., nagyobb Az átalakulást kísérő erős torzulás a felületen domborzati rajzot hoz létre. A rács torzulása elsősorban az oldott szénatomoknak köszönhető. A torzulás, tetragonalitás mértékét a összefüggés fejezi ki ahol, a kristálytani tengely adatai, C a szénkoncentráció tömegszázalékban. A martenzites átalakulás csak a hőmérséklet függvénye. Meghatározott hőmérsékleten, az hőmérsékleten kezdődik, ezt a martenzites átalakulás kezdő hőmérsékletének nevezzük. Az ötvözőfém-tartalom függvényében tapasztalati képlet segítségével az hőmérséklet meghatározható: ahol a betűjelek az illető kémiai elem mennyiségét jelentik tömegszázalékban. További átalakulás a hőmérséklet csökkenésével érhető el. Az -hez képest -nyi túlhűlés után az átalakulás megáll, anélkül, hogy az ausztenit teljes mennyisége elfogyott volna. Ezért a martenzitesen átalakult acélokban mindig találunk maradék ausztenitet. Az átalakulás befejező hőmérsékletét (ahol a folyamat megáll) -fel jelöljük., 85

90 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A maradék ausztenit az acélban általában káros, mert csökkenti annak keménységét és utólagos átalakulása káros feszültségeket okoz. Ha az ausztenit túlhűtése a martenzites átalakuláshoz szükségesnél kisebb, de az eutektoidos átalakulásénál nagyobb, akkor bénites lesz az átalakulás. Ebben az esetben a túlhűlés miatt a ferrit megjelenésének kényzsere nagy, ezért először ferritcsíra jelenik meg az ausztenit szemcsehatárán. A ferritcsíra tű alakú, növekedése során mintegy maga előtt hajtja a szénatomokat az ausztenitben. Amikor az ausztenitben diffundáló szénatomok hatására a helyi koncentráció kellően megnő, akkor cementitlemezke jelenik meg a ferrittű mellett. Az így kialakult, gyakran tűs jellegű szövetet felső bénitnek hívjuk (64 [86]. ábra). Ha a túlhűlés mértéke ennél nagyobb, de még mindig kisebb, mint a martenzites esetben, akkor a ferrit a martenzites átalakulás szerint jelenik meg. A keletkezett tű összetétele megegyezik az ausztenit összetételével, amelyből létrejött. Nem sokkal ezután azonban a ferritben felesleges szén a határokra diffundál, és ott kiválik. Ezt a szövetelemet alsó bénitnek hívjuk. 64. ábra. Felső bénit (200x-os nagyítás) 86

91 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A bénit tehát elég változatos alakban megjelenő szövetelem. A mintegy között megjelenő felső bénit fázisai a ferrit és a cementit, míg a -nál kisebb hőmérsékleten megjelenő alsó bénit fázisai szénnel túltelített ferrit és karbidja az karbid, amelynek összetétele vagy. A bénites átalakulás tehát mechanizmusát tekintve inkább az eutektoidosra, kristánytanilag inkább a martenzitesre hasonlít Átalakulási diagramok Az ausztenit kialakulhat kristályosodás során, ill. a már lehűlt próbadarab, ill. hőmérséklet fölé való felhevítése, ausztenitesítése következtében: A gyakorlatban használatos acélokból a készterméket nem közvetlenül kristályosodással állítják elő. A kristályosodást követő lehűtés után az acélt felhevítéssel ausztenites állapotba hozzák, majd szabályozott, a kívánt szövet elérésének megfelelő hűtési sebességgel lehűtik. Az így keletkezett szövet szerkezetét nagyban befolyásolja annak az ausztenitnek a szerkezete (szemcsenagysága, koncentrációeloszlása), amelyből létrejött. Ezért fontos, hogy a hevítés során kialakuló ausztenit szerkezete megfelelő legyen. A folyamat kézben tartására használjuk az ún. ausztenitesítési diagramokat. Ausztenitesíteni lehet folyamatos hevítés közben, ill. izotermásan, amikor is nagy sebességgel, a széntartalomtól függően hőmérséklet fölé hevítjük a munkadarabot, majd a szövet teljesen ausztenitté való alakulásáig a hőmérsékleten tartjuk (65 [87]. ábra). Az ausztenitesedés folyamata szintén csíraképződéssel, diffúziósan megy végbe. A csírák a ferrit és cementit érintkezési felületén alakulnak ki. Ausztenitesíteni a homogén ausztenit tartományában szoktak, hipoeutektoidos acél esetében A3 hőmérséklet felett és az ötvözetrendszer eutektikus hőmérséklete alatt. 65. ábra. A hipoeute ktoidos acél elvi izotermá s ausztenit esítési diagramj a 87

92 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Az ausztenit átalakulhat folyamatos hűtés közben vagy izotermásan. Az átalakulási diagramokat a formájuk miatt gyakran C görbéknek hívjuk. A 6 [88]. ábra izotermás elméleti C görbét szemléltet. Egy-egy fajta átalakuláshoz (a martenziteset kivéve), egy-egy görbepár tartozik, az adott hőmérsékletre érvényes átalakulás kezdetéhez, ill. befejezéséhez szükséges időt jelezve. A görbék orrához tartozó hőmérsékleten a leggyorsabb az adott folyamat. 66. ábra. A hipoeute ktoidos ötvözetle n acél elvi izotermá s átalakulá si diagramj a 88

93 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A ausztenit; B bénit; P perlit; F ferrit; M martenzit Ezt, ill. a görbék alakját is az átalakulások mechanizmusa magyarázza. A csíraképződéses növekedéses folyamatok akkor zajlanak le rövid idő alatt, ha sok csíra képződik, ami kellően nagy túlhűlés esetén valósul meg, ill., ha a csírák gyorsan nőnek, ami viszont gyors diffúziót, vagyis nagy hőmérsékletet igényel. A két követelmény egymással ellentétes, ezért a folyamat egy köztes hőmérsékleten a leggyorsabb, ahol is kellő számú csíra létrejötte mellett még a diffúzió is elég gyors. Az izotermás diagramokat természetesen csak adott hőmérséklet mentén, a folyamatos hűlésre érvényeseket pedig adott hűtési sebesség mentén szabad olvasni. Ebből következik, hogy a folyamatos lehűlésre érvényes diagramokban a C görbék alsó szára elmarad. Az ötvözők a diagramok alakját jelentősen befolyásolják, a görbék akár össze is csúszhatnak. A szabványos acélok átalakulási diagramjait jól ismerjük, ezek katalógusokba, atlaszokba foglalva megtalálhatók. Az átalakulási folyamatok vizsgálhatók szövetvizsgálattal, mágneses méréssel és tágulásméréssel is. 89

94 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Gyakorlati vasötvözetek Mint említettük a vas legfontosabb és leggyakrabban használt ötvözője a szén. A szén mellett vagy esetenként helyette azonban más fontos, az ipari felhasználás szempontjából előforduló vasötvözetek is vannak. Az ötvözők, ill. az ötvözetek több szempont szerint csoportosíthatók. Leggyakoribb, ha az ötvözőket aszerint csoportosítjuk, hogy a vas mely allotrop módosulatát stabilizálják. Eszerint megkülönböztetünk ausztenitképző (Co, Ni, Mn, Zn, Au és a C), ill. ferritképző (Cr, V, Al, Mo, W, Si, Ti, P, Nb, S) ötvözőket. A tulajdonságok szempontjából nagy jelentőségük van, ezért külön csoportba soroljuk az ún. karbidképző elemeket (Mo, W, V, Cr, Zr, Nb, B, Ta, Ti). Az ötvözetek csoportosíthatók: az ötvözés mértéke szerint (ötvözetlen, mikroötvözött, ötvözött, erősen ötvözött acélok), a felhasználás jellege szerint (automata-, betétben edzhető, rugó- stb. acélok), a gyártástechnológia szerint (kovácsolt, hidegen alakított, hengerelt stb. acélok), a szerkezetük szerint (színfémek, szilárd oldatok, ferrit + karbid, szilárd oldat + karbid, szilárd oldat + karbid + egyéb fázis) Színfémminőségek A lehető legkevesebb szenet ( ) és néhány tized százalék mangánt, ként, foszfort, szilíciumot tartalmaznak. Elektrotechnikai célokra használják, elsősorban lemez alakban Szilárd oldatos vasötvözetek Hidegszívós acélok (FeNi). Ezekben az acélokban a Ni az -vas rácsába szubsztitúciósan épül be, és könnyebbé teszi a diszlokációk keresztcsúszását. Ezáltal az átmeneti hőmérséklet (l. a 9. fejezetet) lecsökken, és között is szívós marad az acél. Hőálló acélok. Lehetnek ausztenitesek és ferritesek is; vagy azonosak a korrózióálló acélokkal, vagy a Si-, Niés a Cr-tartalmuk nagyobb. Az acélok felett is megőrzik eredeti szerkezetüket Szilárd oldat + karbid jellegű vasötvözetek Nemesíthető acélok. Ezeknél az acéloknál a szilárd oldat-mátrix kis kiválásokkal van tele, amely a Mn, Mn + Cr, Cr + Mo, Cr + V, Ni + Cr ötvözésnek köszönhető. A széntartalom 0,3...0,6%. A fokozott igénybevételű gépalkatrészek közül a tengelyek, turbinák, hajtórudak stb. készülnek ilyen ötvözéssel. Rugóacélok. 0,1...0,24% szénen kívül 1...2% Si-mal vagy 1...2% Cr-mal, vagy Mn-nal ötvözik. Betétben edzhető acélok. Kis (0,1...0,24%) széntartalmú jól edzhető acélok, amelyeknek a felületi rétegében hőkezeléssel megnövelik a szenet, ezáltal jó kopásállóságú felület jön létre. Az edzhetőséget Mn, Co, Ni és Mo ötvözéssel érik el. Golyóscsapágy acélok. Legfontosabb tulajdonságuk a keménység és a kopásállóság, amelyet a ferritmátrixba ágyazott kemény ötvözőfémkarbidok jelenléte biztosít. Ezért a 0,8...1,2% szén mellett 1...1,6% krómot és 0,5...1,5% mangánt tartalmaznak. A legnagyobb gondot a karbidok soros elhelyezkedése okozza. A csapágy a karbidrészecskék kipattogzása miatt megy tönkre. Szerszámacélok. Kiemelkedően fontos acélfajtát alkotnak. A nagy szilárdság, a kopásállóság, a szívósság, a hosszú élettartam és korrózióállóság mellett a jó alakíthatóság is megkövetelt tulajdonságuk. Minél több bennük a szén, és kevesebb az ötvöző, a szívósságuk és a megeresztésállóságuk annál gyengébb. A 12%-nál több karbidképzővel ötvözött szerszámacélok szekunder keménységet mutatnak. Ezek közül a nagy széntartalmú, gyengén ötvözött acélok és az ún. gyorsacélok különböztethetők meg. A gyorsacélokat elsősorban forgácsolószerszámokhoz használják. 90

95 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Szilárd oldat + karbid + egyéb fázis szövetszerkezetű vasötvözetek Automataacélok. Velük szemben támasztott követelmény a jó forgácsolhatóság, ami könnyen leválasztható és törékeny forgácsot jelent. Ez 0,1...0,4% kénnel, esetleg ólommal vagy bizmuttal való ötvözéssel érhető el. A kén önálló szulfidfázisként helyezkedi el az acélban, főleg a szemcsehatárokon, ezáltal könnyen törékennyé teszi a forgácsot. Automataacélból készül a legtöbb alátét, csavar stb Rézalapú ötvözetek A réz felületen középpontos kockarácsú fém, allotrop módosulatai nincsenek. Laboratóriumi körülmények között 99,9999%, míg ipari feltételek mellett, elektrolízissel 99,99% tisztaságú rezet lehet előállítani. Jó korrózióállósága, villamos és hővezető képessége miatt villamos vezetékek gyártására használják. Ezen a területen a mai napig pótolhatatlan. Mivel a rétegződési hiba energiája kicsi, ezért a diszlokációk részdiszlokációkra bomlanak, szobahőmérsékleten nehéz a keresztcsúszás, nagy az alakítási keményedése, sok az ikerhelyzetben lévő kristály. A tiszta rezen kívül számos igen fontos rézötvözet is forgalomban van. Az ötvözőket csoportosíthatjuk a rézben való oldódási hajlamuk szerint. A szilárd állapotban egyáltalán nem oldódó ötvözők (szennyezők) közül az oxigén érdemel külön figyelmet. Az olvadt állapotban feloldódott oxigén szilárd állapotban eutektikum alakjában a kristályhatárokon dermed meg, ezáltal nagymértékben rontja az alakíthatóságot. A hidrogénatmoszférával való érintkezés esetén létrejövő vízgőz szemcsehatár menti repedések kialakulásához vezet. A nagy tisztaságú rezet (CuOF) ezért oxigénatmoszférától elzárt metallurgiai folyamattal állítják elő. A szilárd állapotban mérsékelten oldódó ( ) ötvözők eutektikusan (Cr, Zr, P, Ti, Mg, Ag), vagy peritektikusan (Be, Fe, Co, Si) kristályosodnak. A hőmérséklet csökkenésével az -réz oldóképessége csökken (67 [91]. ábra). Ezért a körüli koncentrációjú ötvözetek nemesíthetőek (l. a alfejezetet). Az eutektikum egyik fázisa az szilárd oldat, a másik vagy színfém (Cr), vagy szilárd oldat (Ag), vagy vegyület (Zr, Ti, Mg). A peritektikus rendszerek mindig a 67 [91]. ábra szerint alakulnak. A peritektikum fázisa gyakran olyan szilárd oldat, amely a hőmérséklet alatt eutektoidosan elbomlik. 67. ábra. A mérsékel ten oldódó ötvözők jellegzete s eutektiku s és peritekti kus egyensúl yi diagramj ának részletei 91

96 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A nagymértékben oldódó ötvözők közül a cinknek, az ónnak és az alumíniumnak van gyakorlati jelentősége. Közös jellemzőjük, hogy az eutektikus (Al) vagy peritektikus (Zn, Sn) kristályosodással (68 [92]. ábra) az - réz mellett dermedő második ( ) fázis szilárd oldat, amely csak hőmérséklet felett stabil. Az -réz oldóképessége ezen a hőmérsékleten a legnagyobb, és a csökkenő hőmérséklettel az oldóképesség nő, ezért ezek az ötvözetek nem nemesíthetők. Ha az ötvözet alá hűl, a -fázis vagy rendeződik, vagy eutektoidosan bomlik -rézre és az ötvözőben dúsabb -fázisra, amely lehet a szobahőmérsékletig stabil, vagy további bomlásokkal egyre nagyobb ötvözőfém-tartalmú fázisok alakulnak ki. A gyakorlati ötvözetekre jellemző, hogy az ötvözőfém növekedésével a szerkezet homogén majd heterogén végül homogén szerkezetűek. A Cu-Zn ötvözeteket -on hőkezelve, majd lassan lehűtve 39% Zn-tartalomig homogén -sárgarezet kapnak. A 39 és 46,5% közötti Zn-tartalom esetén heterogén sárgarezet kapunk. 68. ábra. Nagymér tékben oldódó ötvözők jellegzete s eutektiku s és peritekti kus egyensúl yi diagramj ának részletei 92

97 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A gyakorlatban használatos rézötvözetek a következők: Sárgarezek: Cu-Zn ötvözetek. A homogén sárgarezek melegen és hidegen is kitűnően alakíthatók, így lemez, szalag, cső, rúd készül belőlük. Még keményebb és korrózióállóbb ötvözeteket készítenek 1...5% alumínium, ón, szilícium vagy mangánötvözéssel. A heterogén sárgarezek hidegen nem alakíthatók, öntési és forgácsolási tulajdonságaik viszont jók. Keménységük és szilárdságuk meghaladja a homogén sárgarezekét. Elsősorban öntvényeket (pl. vízcsap) készítenek belőlük. Ónbronzok. Legfeljebb 8% óntartalmú homogén szerkezetű ötvözetek. Kitűnően önthetők. Alumíniumbronzok % ötvözőfémet tartalmaznak, jól alakíthatóak, lemez, rúd és cső készül belőlük. Réz-nikkel ötvözetek. Ellenállásanyagok, de 20% Mn ötvözéssel kemény, szikramentes anyagot lehet előállítani, főleg olaj- és gázbányászati alkalmazásokhoz. Alpakkák. Nikkel- és cinkötvözéssel készülnek a homogén alpakkák, amelyekből rugókat, evőeszközöket, dísztárgyakat és műszereket gyártanak. Réz-arany ötvözetek. Főleg ékszer, dísztárgy készül belőlük, leggyakoribb a 14 és a 8 karátos ötvözet. Berilliumbronzok. 1,6...2,2% berillium és néhány tized százalék Ni- vagy Co-ötvözéssel készülnek a legnagyobb szilárdságú, nemesíthető rézötvözetek, amelyekből rugókat, kopásálló alkatrészeket gyártanak. Ólomtartalmú ötvözetek. Mivel az ólom nem oldódik, mindig önálló fázisként jelenik meg a rézötvözetekben. Egyrészt javítja a forgácsolhatóságot, másrészt kenő hatása révén csökkenti a súrlódási tényezőt. Ezt kihasználva kitűnő siklócsapágyak készíthetők Az alumínium ötvözetei Az alumínium fehér fényű, kis sűrűségű fém. Olvadáspontja kicsi ( ). Felületen középpontos kockarácsa van, allotrop módosulata nincs. Az alumíniumatomok között viszonylag kicsi a kötőerő, így a rugalmassági modulusa kicsi ( ). Fajlagos villamos ellenállása kicsi, csak a réz és az ezüst jobb vezető az alumíniumnál. Ezzel szemben a hőtágulási együtthatója nagy. Az alumínium jó korrózióálló, mert felületén nagyon rövid idő alatt összefüggő, vékony oxidréteg jön létre, amely megakadályozza a további oxidálódást. Az oxidhártya a villamos vezetőképességet nem rontja, hegesztéskor azonban nehézséget okoz, ezért az alumínium csak védőgáz alatt hegeszthető. Az alumíniumötvözetek hidegen és melegen egyaránt jól alakíthatók, így a gyakorlatban sokféle célra használják. A nagyon jó hidegalakíthatóság vastagságú fólia hengerlésére is alkalmassá teszi. Kis villamos ellenállása, jó korrózióállósága miatt villamos vezetékek, kábelek gyártására is 93

98 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK használják. Az alumínium alkatrészek könnyűek és korrózióállók, ezért a repülőgépiparban, s az autógyártásban alkalmazzák. Mivel az alumínium szilárdsága nagyon kicsi, ezért a gyakorlatban különféle ötvözeteit használják. Az alumínium ötvözőit a következőképpen osztályozhatjuk: szilárdságot növelő ötvözők: Cu, Mg, Si; szemcsenagyságot csökkentő ötvözők: Ti, Cr; korrózióállóságot javító ötvözők: Mn, Sb; hőmérséklettel szembeni ellenálló képességet fokozó ötvöző: Ni; forgácsolást megkönnyítő ötvözők: Co, Fe, Bi. A kohóalumínium két legfontosabb szennyezője a vas (Fe) és a szilícium (Si). A vas felső határát 0,7%-ban jelöli a magyar szabvány, a szilíciumra ugyanez az érték 0,20%. Gyakori szennyezőként jelenik meg az alumíniumoxidban jelen lévő oxigén és az olvadékban feloldódott hidrogén. A szilícium, a bizmut, a kadmium és a cink kivételével az alumínium a többi ötvözőjével kemény és rideg fémes vegyületet alkot. Ezek közül a legfontosabbak:,,,,,. Az alumíniumötvözetek jellegzetes egyensúlyi diagramja a 69 [94]. ábrán látható. Az alumínium különféle fémes vegyületekkel rendszerint eutektikus ötvözőrendszert alkot. Szobahőmérsékleten az ilyen ötvözetek szövetszerkezete lágy, viszonylag jól alakítható alumínium szilárd oldatból ( ) és abba ágyazott rideg fémes vegyületből áll. Az alumínium sok ötvözőjével (Cu, Mg, Si, Fe, Mn, Ag) a 69 [94]. ábrán látható eutektikus egyensúlyi diagramot hozza létre. 69. ábra. Az alumíniu m eutektiku s egyensúl yi diagramj a - alumíniu m szilárd oldat; - alumíniu mvegyüle t ( ) 94

99 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Az alumínium az eutektikus (70 [95]a ábra) mellett peritektikus (70 [95]b ábra) és monotektikus (70 [95]c ábra) egyensúlyi diagramot is létesít ötvözőivel (70 [95]. ábra). Krómmal, cirkőniummal, vanádiummal és titánnal peritektikus, a kadmiummal és ólommal pedig monotektikus ötvözőrendszert hoz létre. 70. ábra. Az alumíniu m különféle egyensúl yi diagramj ai - alumíniu m szilárd oldat; X második fázis: alumíniu mvegyüle t vagy színfém 95

100 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Az ipari alumíniumötvözetek osztályozásának egyik alapja az eutektikus ötvözőrendszer egyensúlyi diagramja (71 [96]. ábra). A szilárd oldat maximális összetételénél kisebb ötvözőmennyiséget tartalmazó ötvözetek képlékenyen jól alakíthatók (I II. tartomány). Ennél nagyobb ötvözőtartalom esetén heterogén öntészeti alumíniumötvözetekről beszélünk (III. tartomány). Az alakítható ötvözetek egyik csoportja (I. tartomány) szobahőmérsékleten is teljesen homogén szilárd oldatot tartalmaz. Éppen ezért ezek nem nemesíthetőek. A hőmérséklettől függően különböző mennyiségű ötvözót oldani képes ötvözetek (II. tartomány) alakíthatóak és nemesíthetőek is. 71. ábra. Az alumíniu mötvözet ek típusai 96

101 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Alakítható alumíniumötvözetek. A tömegtermelésben ma a legelterjedtebb az ötvözetlen kohóalumínium. A 99,5% alumíniumtartalmú ötvözeteket széles körben alkalmazzák, jó alakíthatóságuk miatt. Az ilyen ötvözőt a fóliagyártás alapja. Az alumíniumból nagymértékű hidegalakítással vastagságú alumíniumfólia gyártható. A jó alakíthatóságvégett a fólia alapanyagában az Fe/Si arány legalább 2,5 legyen, így érhető el, hogy az alakíthatóságot jelentősen rontó szilícium ne maradjon oldott állapotban az alumíniumban, hanem váljon ki a kevésbé káros vegyület alakjában. Ötvözetlen alumíniumból melegen, valamint hideghengerléssel, kovácsolással, hidegfolyatással, sajtolással, húzással készíthetők más termékek is: különféle lemezek, rudak, csövek, alakos szelvények, huzal, kovácsolt termékek. Mivel az alumínium szilárdsága kicsi, hidegalakítással növelik a keménységét. A hidegen alakított termékek a nagy diszlokációsűrűség miatt nagyobb szilárdságúak, ezért ezeket kemény állapotúaknak nevezzük. Kisebb hőmérsékleten végzett hőkezelés következtében a szövetszerkezetben változások indulnak meg, a diszlokációk sorokba rendeződnek, kis szögű szemcsehatárok által alkotott szubkristályszerkezetet hoznak létre. Ez a félkemény állapot. További hőkezelés következtében megkezdődik az újrakristályosodás, ami lényegében a kedvező helyzetű szubkristályszemcsék növekedését jelenti, s a keménység tovább csökken. Ezt nevezzük negyedkemény állapotnak. A hőkezelés végén kialakul a teljesen újrakristályosodott lágy állapot. A folyamat, ill. a kialakult szövetszerkezet látható a 72 [97]. ábrán. 72. ábra. A hidegen alakított alumíniu m szövetsze rkezete a) kemény állapot; b) félkemén y állapot; c) negyedke mény állapot; d) lágy állapot Az ötvözetlen kohóalumínium tulajdonságait az alapanyag kristályainak méretén és a szubkristályok átmérőjén kívül a második fázis alakja, nagysága, ill. méret szerinti eloszlása határozza meg (73 [97]. ábra). 73. ábra. Az ötvözetle n alumíniu m 97

102 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK szövetksz erkezete A második fázisok közül az Fe- és a Si-tartalmúak a legjelentősebbek (AlFeSi), de 0,4%-nál nagyobb vastartalom esetén tű alakú, rideg Al Fe is keletkezhet. Ezt a mechanikai tulajdonságokat károsan befolyásolja. Ebben az esetben Mn-adagolással ( ) elérhető, hogy a kristályosodás végén gömbszerű AlSiFeMn vegyület keletkezzen. A kohóalumínium mechanikai tulajdonságait ötvözéssel javítva kapjuk az alakítható alumíniumötövözeteket. Legfontosabb ötvözők: Cu, Mg, Si és Zn. Mennyiségük a maximális odlhatóságot nem éri el, így ezek az ötvözetek legfeljebb 5% Cu-t, 10% Mg-t, 1,5% Si-t és 4% Zn-t tartalmaznak. Az ötvözetekhez kiegészítő ötvözőket adagolva egyes tulajdonságok tovább javíthatók, így a nikkel a hőszilárdságot, a mangán pedig a korrózióállóságot javítja. Az alakítható ötvözetek között külön csoportot jelenteken a nem nemesíthető ötvözetek. Az általában kétalkotós alumínium-magnézium ötvözetek nagyon jó korrózióállók, elsősorban tengervízzel szembeni ellenálló képességük nagy. Viszonylag kis szilárdságuk hidegalakítással jelentősen növelhető (74 [98]. ábra). Nagyon jó korrózióállóság jellemzi a szintén nem nemesíthető Al-Mn ötvözeteket, amelyeket elsősorban élelmiszeripari célra használnak. 74. ábra. Az Al- Mg ötvözetre ndszer szilárdsá ga a hidegala kítás függvény ében 98

103 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Nemesíthető ötvözetek. Az alumíniumötövözetek nemesítő hőkezelése a szilárdságot és a keménységet növeli. Ennek módja a diszlokációk mozgásának megakadályozása. A hőkezelés során a diszlokációk mozgásának útjában, az alumínium alapanyagban viszonylag kis méretű kiválásokat hozunk létre. Amennyiben egy diszlokáció ilyen kiváláshoz ér, át kell vágnia azt (75 [99]a ábra). Ha ehhez az átvágáshoz túlságosan nagy energia szükséges, akkor a diszlokáció nem vágja át a kiválást, hanem megkerüli (75 [99]b ábra). 75. ábra. A diszlokác iók és a kiválások kapcsolat a 99

104 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A szilárdságnövelő hatás ekkor mérsékeltebb. A diszlokációk akkor növelik jelentős mértékben a szilárdságot, ha az alapanyag és a kiválás kristályrácsa azonos, és a rácsparamétere majdnem megegyezik. Ezt nevezzük koherens kiválásnak (76 [100]. ábra). 76. ábra. Különfél e kiválások 100

105 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Az alumíniumötövözetek nemesítésekor éppen az ilyen kiválások létrehozása a cél. A nemesítés első lépése az alumíniumötövözet homogenizálása (77 [101]. ábra). Ennek célja az ötvözetben jelen lévő kiválások teljes oldatba vitele, azaz a homogén -szilárd oldat létrehozása. Az ötvözők csak ebben az esetben képesek szilárdságnövelő hatásukat kifejteni. A homogén -szilárd oldat elérésére az ötvözetet a hőmérsékletre hevítjük, és ott kellően hosszú ideig tartjuk, mígnem a diffúziós folyamat során az ötvözők teljes egészében fel nem oldódnak. 77. ábra. Alumíniu mötvözet ek nemesíté se a) egyensúly i diagram; b) a hőkezelés menete 101

106 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A homogenizáló izzítást követően az ötvözetet nagyon gyorsan (pl. vízben) szobahőmérsékletre hűtjük. A rendkívül gyors hűtés célja a kiválások keletkezésének megakadályozása, vagyis ötvözőben túltelített -szilárd oldat létrehozása. A nemesítés következő lépése az öregítés, ami lényegében kiválásos keményítés. Megfelelő hőmérsékleten végzett kezelés hatására elkezdődik a túltelített szilárd oldatból az ötvözőben dús második fázis kiválása. Az ötvözőatomok az alapfém rácsában rendszerint egy diszlokáció környékén csoportosulnak, és kezdetben igen kis méretű, az alapfém rácsával teljesen koherens hoznak létre. Ezeket a kiválásokat Guinier Preston-(G.P.)- övezetnek nevezzük. Az elsőrendű (I.) G.P.-övezetek néhány atom vastagságúak, és kiterjedésük is legfeljebb nm. A hőmérséklet további növelésével keletkezik a másodrendű (II.) G. P..övezet. Ennek jellemzője, hogy legalább kétféle atom alkotja, összetétele már közelebb van az egyensúlyi kiválás összetételéhez, de kristályszerkezete ugyancsak koherens az alapanyag szerkezetével. Vastagsági mérete nm, kiterjedése már a nm-t is elérheti. A G.P.-övezetek közös jellemzője, hogy kis méretük miatt fénymikroszkópos képen nem mutathatók ki, csak röntgendiffrakciós vizsgálattal, ill. legalább szeres nagyítású transzmissziós elektronmikroszkópos felvétellel igazolható a jelenlétük (78 [102]. ábra). 78. ábra. Nemesíte tt Al-Mg- Si ötvözet szerkezet e a) első rendű G.P.- övezetek; b) - fázis; c) -fázis transzmis sziós elektronm ikroszkóp i felvétel, nagyítás xes A hőkezelés hőmérsékletének további növekedésével az alanyaggal inkoherens, de még mindig nem egyensúlyi összetételű második fázis keletkezik, amely a hőkezelés utolsó állomásaként egyensúlyi összetételű második fázissá alakul. Szilárdság szempontjából ez ún. túlöregített állapot, hiszen a szakítószilárdság, a keménység ekkor lesz a legkisebb. Az előzőkben ismertetett folyamat jól látható az Al-Cu ötvözet öregítési görbéjén (79 [103]. ábra). Az ábra alapján azt is megfigyelhetjük, hogy a mechanikai tulajdonságok szempontjából a 102

107 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK másodrendű G. P.-övezet a legkedvezőbb (ekkor legnagyobb a keménység), míg a második fázis ( ) megjelenése rontja a keménységet. Az is látható, hogy a -on végzett hőkezelés során először G.P. I., majd G.P. II.-övezet keletkezik, míg -on csak a G.P. I.-övezet jön létre, s ezt hamar felváltja az egyensúlyi fázis. 79. ábra. A Guinier Preston (G.P. I. és G.P. II)- övezetek keletkezé se Al-Cu ötvözetbe n egyensúly i második fázis ( ); nem egyensúly i második fázis 103

108 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK A megfelelő kiválások eléréséhez szükséges hőmérsékleteket az egyensúlyi diagramon feltüntetett oldhatósági görbékből olvashatjuk le (80 [104]. ábra). 80. ábra. A összetétel ű ötvözet oldhatós ági görbéi 104

109 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK egyensúly i második fázis ( ); nem egyensúly i második fázis; G.P.- övezet A diagramon az egyensúlyi második fázis ( ) mellett a nem egyensúlyi második fázis ( ), ill. a G.P.-övezet oldhatósági görbéi is szerepelnek. A görbékről leolvasható, hogy a összetételű ötvözetet hőmérséklet alatt kell hőkezelni ahhoz, hogy belőle G.P.-övezet váljon ki. Az is nyilvánvaló, hogy szobahőmérsékleten a G.P.-övezet keletkezéséhez (természetes öregítés) legalább mennyiségű ötvözőnek kell lennie az alumíniumban. A nemesíthető és alakítható alumíniumötvözetek általában három- vagy többalkotósak. Legjellegzetesebb típusuk az Al-Cu-Mg ötvözet, amelyet durálként ismerünk. A 4% Cu és 2% Mg-tartalmú ötvözet a legnagoybb 105

110 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK szilárdságú. Kedvező mechanikai tulajdonságú a 4% Cu és 2% Ni-tartalmú Al-Cu-Ni ötvözet, amelynek a hőálló képessége is nagy. A nemesíthető ötvözetek közös hátránya, hogy a korrózióval szemben kevésbé ellenállók. A természetesen öregedő ötvözetek egyik képviselője az Al-Zn-Mg-Ti hegeszthető alumíniumötvözet, amelyet ha -on homogenizálunk, majd gyorsan lehűtünk, hevertetés közben szobahőmérsékleten nagyobb szilárdságúvá válik. Végleges szilárdsági jellemzőit 3-6 hőnap alatt éri el (81 [106]. ábra). 81. ábra. A természe tesen öregedő ötvözetek mechani kai tulajdons ágai heverteté s közben 106

111 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Az Al-Si-Mg nemesíthető ötvözet általában 1,5% Si-ot és 1,5% Mg-ot tartalmaz. Szakítószilárdsága mintegy 300 MPa-ra növelhető, és a korrózióállósága is megfelel. Öntészeti alumíniumötvözetek. Az öntészeti alumíniumötvözeteket három nagy csoportba soroljuk: a szilíciumos, a magnéziumos és a rezes ötvözetek. Szilíciumos ötvözetek. A legjobb önthetőségű alumíniumötvözet a szilumin. Legfontosabb A legjobb önthetőségű alumíniumötvözet a szilumin. Legfontosabb ötvözete az Al-Si és az Al-Si-Mg. Mindkettő tulajdonképpen eutektikus ötvözet, amelynek szövetszerkezetében az -szilárd oldat dendrit mellett Al-Si eutektikum található. Az ötvözetek kedvező szövetszerkezetének megvalósítására nátriumos, vagy újabban stronciumos kezelést alkalmaznak. Az alumíniumolvadékban feloldódó Na és Sr meggátolja az Si csíraképződését, ennek hatására az ötvözet jelentősen túlhűl, majd rendkívül finom szilíciumkristályokat tartalmazó homogén eutektikumot hoz létre. Az Al-Si-Mg öntészeti alumíniumötvözet öntés után hőkezeléssel nemesíthető, s így a szilárdsága még tovább javítható. Az eutektikum szerkezetének finomodásával járó folyamatot az öntödei gyakorlatban szintén nemesítésnek nevezik, amelyet nem szabad összetéveszteni a homogenizálás, az edzés és az öregítés részfolyamatból álló nemesítő hőkezeléssel! Magnéziumos ötvözetek. Ebbe a csoportba tartoznak az Al-Si-Mg és az Al-Mg-Mn ötvözetek, amelyekre kedvező mechanikai tulajdonságuk mellett a jó korrózióállóság jellemző. Rezes ötvözetek. Ide soroljuk az Al-Cu és az Al-Cu-Ni ötvözeteket. Jól önthetők, jó a hővezető képességük és bizonyos fokig hőállóság jellemzi őket. Jól forgácsolhatók, de a szívós alumínium könnyen képlékeny réteget alkot az alumíniumötvözet felületén. A kedvezőbb forgácsleválás szilícium és magnézium adagolásával érhető el. Hőszilárdsága nikkelötvözéssel fokozható. Az öntészeti ötvözetek között igen fontosak a dugattyúötvözetek. A dugattyú, mintegy hőmérsékleten működik, és az öntöttvas perselyek hőtágulása kisebb, mint az alumíniumötvözeteké. A szilíciumötvözés az alumínium tágulását csökkenti, és a létrejött hipereutektikus szövetszerkezet megfelelő kopásállóságot és szilárdságot ad. A rézalapú dugattyúötvözetek az Al-Cu-Ni és az Al-Cu-Si ötvözetek, amelyeknek fő ötvözője a 2...4% Cu. Ezeket az ötvözeteket nagyobb hőmérsékleten használják Kompozitok (olvasmány) Sokak véleménye szerint a kompozitok (az összetett anyagok) a XXI. század legfontosabb szerkezeti anyagai. Fejlesztésük világszerte intenzíven folyik. A kompozitok tulajdonképpen különböző anyagok (fémek, kerámiák, műanyagok) egyesítésével jönnek létre, abból a célból, hogy az így kapott új anyag a kedvező tulajdonságok különleges kombinációját (pl. kis sűrűség, nagy szilárdság) ötvözze magában. A hosszú szálakkal erősített alumíniumalapú kompozitok gyártása bonyolult és drága, néhány esetben mégis alkalmazzuk, különösen a repülőgépiparban. Mára már elérhető a nagy szilárdságú acélokhoz hasonló szakítószilárdság és az acélénál nagyobb merevség, sokkal kisebb sűrűséggel. A hosszú bőrszálakkal erősített, alumíniummátrixú kompozitok szakítószilárdsága például meghaladhatja az 1500 közelítően t, és rugalmassági modulusa A gyakorlat számára a kompozitoknak több előnyük is van. Elsősorban lehetővé teszik, hogy a tulajdonságok különleges kombinációját hozzuk létre. Másrészt ezek a tulajdonságok adott tartományon belül folyamatosan változhatnak. Az alumíniummátrixú kompozitok hőtágulása is szabályozható szálerősítéssel. Ezt hasznosítják például a mikrochipek Al-B kompozitból készült hűtőelemeiben. A kompozitok harmadik lényeges sajátsága, hogy némely fizikai tulajdonságuk nem érhető el külön-külön egyik alkotójával sem. Például egyes kompozitok ha az egyik,,alkotójuk a levegő vagy vákuum kisebb hővezető képességűek, mint bármely más anyag (pl. a fémhabok). A szálerősítésű kompozitok előállításához soklépcsős, nehezen automatizálható eljárásokat használnak. Az alkalmazott módszerek egyik legnagyobb problémája az optimális nedvesítés a szál és a mátrix között. Sok, gyakorlatban használt rendszer esetén az erősítőfázis kémiai tulajdonságai, vagy a jelen levő oxidfilm akadályozza a nedvesítést. Az érintkező felületek tulajdonságainak javítására tett erőfeszítések 107

112 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK sokszor a szál és a mátrix közötti túl nagy mértékű reakciót, a szálak károsodását okozzák. Előállításukra többféle módszert alkalmaznak. A diffúziós kötés módszere lényegében szilárd állapotú hegesztőeljárás fémek és/vagy kerámiaszálak egyesítésére. A nagy hőmérsékleten érintkező anyagok diffúziója által jön létre az összehegedés. Fő előnye, hogy sokfajta fémötvözethez alkalmas és szabályozható a szálak orientációja, ill. térfogataránya. Hátránya, hogy a kompozit előállítása több órát vesz igénybe, a nagy hőmérséklet és nyomás előállítása költséges, és csak korlátozott méretű termékek gyárthatók ezzel a módszerrel. Az eljárásnak sok változata ismert, de mindegyik alapja az egyidejűleg alkalmazott nagy hőmérséklet és nyomás. A különböző módszerek közös jellemzője, hogy a mátrixötvözetből készült fóliákat és a szálakat meghatározott rend szerint egymásra helyezve jön létre a kompozit. Az alakításos módszerek közé tartozik a fém/fém komopozitok előállítása mechanikai alakítóeljárásokkal süllyesztékes kovácsolással, sajtolással, húzással vagy hengerléssel kétfázisú, képlékeny anyagból. A kapott kompozit tulajdonságai nagyrészt az öntéssel vagy porkohászati úton előállított kiindulóanyag jellemzőitól függnek. Ezek a módszerek csak képlékenyen alakítható és hasonló folyáshatárú alapanyagokhoz használhatók. A nagy hőmérsékletű szupravezetőket 1987-ben fedezték fel. A nióbiumalapú, rézmátrixú hagyományos és az oxidalapú, ezüstmátrixú nagy hőmérsékletű szupravezetők az alakítással előállított kompozitok különleges csoportját alkotják. A nióbiumalapú szupravezetők nióbium/titán vagy szálak rézmátrixban talán a legnagyobb piaccal rendelkező szálas fémmátrixú kompozitok. Nióbiumalapú szupravezetőt kétféle módszerrel állítanak elő. Az egyik eljárás során Nb- Ti pálcákat helyeznek réztömbbe fúrt lyukakba, majd azokat vákuumban légmentesen lezárják. A szupravezető kompozithuzalt lágyító hőkezelések közbeiktatásával végzett többszörös húzás eredményeként kapják meg. Mivel a törékeny intermetallikus fázis, a kompozit készítésére másik módszert használnak. A kiinduló Cu-13% Sn ötvözetbe fúrt lyukakba tiszta nióbiumpálcákat tesznek, majd az előzőkben leírtakhoz hasonlóan huzalt készítenek a kompozitból. A kritikus pont a körüli hőkezelés, amelynek hatására a nióbiumpálcák a mátrixban levő ónnal reagálva szupravezető fázist alkotnak, amelyeket most már rézmátrix vesz körül. Porkohászat. Sokfajta porkohászati technológia használatos részecske-, ill. tűerősítésű, fémmátrixú kompozit előállítására. Az eljárások egyik kritikus pontja a mátrix és az erősítőanyag porának egyenletes összekeverése. Az erre a folyamatra vonatkozó információk többségét szabadalom védi. A következő lépés a hidegen sajtolás, amelynek eredményéül kb. 80%-os relatív tömörségű, könnyen kezelhető darabot kapunk. Az esetleg jelen levő nedvességet eltávolítva melegsajtolással érjük el a végtermék nagy tömörségét. Ily módon előállított és SiC részekcskékkel erősített alumínium alapanyagú kompozitot használnak újabban az autógyártásban. Folyamatos szálakkal erősített kompozit is előállítható porkohászati Úton. Ekkor az alapanyag száraz porában levő szálakat melegen sajtolják. A hidegsajtolás és az azt követő hőkezelés kevésbé jó megoldás, mivel a szálak a kívánt sűrűség eléréséhez szükséges nagy nyomás hatására eltörhetnek, vagy a hőkezelés során károsodhatnak. A közvetlen eljárás a kompozitok előállításának nagyon hatékony módszere. Ezzel a technológiával az erősítőfázist az alapanyagban hozzák létre. Ez közel ideális módszer, mivel a kompozit a kiindulóanyagból egy lépcsőben jön létre, elkerülve a kompozit alkatrészek gyártásához rendszerint szükséges több műveletet. Az erősítőfázis felülete tiszta marad, és soha nem kerül érintkezésbe a levegővel, nedvességgel vagy más légköri szennyezőkkel, így sokszor jobb kötés jön létre az alapanyag és az erősítőfázis között, mint más módszerek alkalmazása esetén. Ezenkívül ezzel a módszerrel gyakran csaknem kész alkatrészek gyárthatók. A kompozitok közvetlen gyártásának klasszikus példája az eutektikus ötvözet (Al-6% Ni) irányított kristályosítása, amelynek során a nagy szilárdságú vegyületfázis ( ) hosszú szálak formájában van jelen. A nyomásos fémolvadék-átitatás során az olvadékfémet az erősítőszálak közé juttatják, de ide sorolhatók azok az eljárások is, amelyek során a szálak haladnak át a fémfürdőn. Ez utóbbi esetben az egyes szálakat az olvadt fém nedvesíti, majd a felesleges fém eltávolításával, és az összefogott szálak sajtolásával kész a kompozit. A szálak és az olvadék közötti nedvesítés problémái miatt viszonylag kevés kompozitot készítenek egyszerű olvadékátitatással. 108

113 GYAKORLATI ÖTVÖZETEK Ha a szálakból készült előformába könnyen belemegy a fém, akkor a szálak és az olvadék közötti reakciók könnyen leronthatják a szál tulajdonságait. Ezeknek a reakcióknak a szabályozására és a nedvesítés javítására fejlesztették ki a szálak előzetes bevonását. Az eljárás hátránya, hogy az előzetesen bevont szálakat a felületük oxidációját megelőzendő levegőtől elzártan kell tartani. Nyomásos öntés esetén az olvadékot a szálas előformába sajtolják. A nyomást egészen a kristályosodás végéig kell fenntartani. Az olvadékot a szálas előformába sajtolva a szál és az alapanyag közötti jó nedvesítés már nem alapvető fontosságú. Az így gyártott kompozitokban minimális a reakció az erősítőfázis és az olvadék között, és a termék mentes a szokásos ötvényhibáktól, pl. a porozitásoktól vagy a zsugorodási üregtől. A szálas előforma átitatható fémolvadékkal, nagynyomású gáz segítségével is. Ezekkel a módszerekkel nagy száltérfogat-hányadú, bonyolult alakú, de olcsó, kevés megmunkálást igénylő termékek állíthatók elő. 6. Kérdések, feladatok 1. Hogyan magyarázza, hogy a Fe-C ötvözetek közül a metastabilis rendszer fordul elő gyakrabban? 2. Milyen ideális egyensúlyi diagramokból áll a Fe-C ötvözetek reális egyensúlyi diagramja? 3. Milyen alloptróp módosulatai vannak a vasnak? 4. Milyen nonvariáns folyamatok játszódnak le a vas-szén ötvözetek megszilárdulása során? 5. Mondjon egy hipoeutektoidos összetételű vasötvözetet! 6. Szerkessze meg a karbidos és a grafitos rendszer kristályosodás végén érvényes szövetdiagramját! 7. Szerkessze meg a karbidos és a grafitos rendszer átalakulás után érvényes szövetdiagramját! 8. Mondja el az eutektikus összetételű, stabilisan kristályosodó és metastabilisan átalakuló ötvözetben lezajló folyamatokat! Milyen szövetelemek és milyen fázisok lesznek a szobahőmérsékletű próbában? 9. Jellemezze az acél martenzites átalakulását! 10. Mi a különbség az alsó és a felső bénit kialakulása között! 11. A perlit homogén vagy heterogén szövetelem? 12. Hogyan változik az hőmérséklet a széntartalom növekedésével? 13. Milyen jelenséget (tágulást vagy összehúzódást) tapasztalunk a hevítés közben felvett tágulásgörbén, a ferrit ausztenitté való alakulása közben? 14. Sorolja fel az alumínium legfontosabb tulajdonságait! Milyen felhasználási területei vannak az alumíniumötvözeteknek? 15. Csoportosítsa a legfontosabb alumíniumötvözőket! 16. Miért lehet az alumíniumból háztartási fóliát készíteni? Mire kell ügyelni a gyártás alatt? 17. Mi a különbség (összetétel, szövetszerkezet) az alakítható és az öntészeti célú alumíniumötvözetek között? 18. Hogyan lehet növelni az ötvözetlen alumínium keménységét? 19. Ismertesse az alumíniumötvözetek nemesítésének lépéseit! Rajzolja fel a hőkezelés hőmérséklet idő diagramját! 20. Mit nevezünk Guinier Preston-övezetnek? Hogyan lehet láthatóvá tenni? 21. Nemesíthető a szilumin? 22. Mi az a dugattyúötvözet? 109

114 7. fejezet - HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Alapfogalmak Vannak bizonyos hőkezelések, amelyeket meghatározott ötvözetcsaládhoz használnak, és vannak olyanok, amelyek függetlenek a hőkezelendő anyagtól. Az elvégzett hőkezelés eredményessége attól függ, hogy mennyire ismertek a munkadarabban lejátszódó folyamatok. Pontosan kell tudni, hogy milyen a darabban kialakult hőmérséklet-eloszlás, és milyen annak az időbeni változása. A leggyakrabban alkalmazott hőkezelési eljárások ismertetése előtt ezért az alapvető technológiai számításokkal ismerkedünk meg. Számítások hőkezelési technológiákhoz. A kiterjedt testek melegedése és hűlése nem egyenletes, a munkadarab bármely pontjának a hőmérséklete az időben változik. A hőmérséklet-változást alapvetően két folyamat szabja meg: a felületi hőátadás és a testen belüli hővezető képesség. A két tényező együttes hatását az ún. hődiffúziós együttható foglalja össze:, ahol a hővezető képesség, a sűrűség és a fajhő. Bármely pont hőmérséklet-változása a hővezetés differenciálegyenletével írható le. A gyakorlatban az egyenlet a szélsőséges peremfeltételek miatt nehezen oldható meg, de ma már egyre tökéletesebb számítógépes modellek készülnek. A műszaki gyakorlatban igen elterjedt a táblázatok, grafikonok és tapasztalati képletek használata a feladat megoldására. Például a felhevítési idő számítására a gyakorlati képlet használatos, ahol a melegítendő munkadarab geometriájától függő alaktényező; hevítőközegre jellemző állandó, s/mm; a munkadarabon belüli legkisebb keresztmetszetű átmérő, mm; a munkadarabnak a kemencén belüli elhelyezkedését figyelembe vevő tényező (5 [110]. táblázat). 5. táblázat. Hőkezelé si tényezők és állandók A darab méreteit nagyobb hangsúllyal figyelembe véve: 110

115 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK, min, ahol a térfogat,, a felület, ; a hőmérsékletet figyelembe vevő tényező, min/cm hőmérséklet-tartományban használatos sófürdő esetén:, min, feletti hőmérsékletű sófürdő esetén:, min. Tapasztalati képlet lévén a hőmérséklet értékét értékben, de mértékegység nélkül helyettesítjük be. Ólomfürdő esetén 0,5 értékkel, levegő közegű hőátadás esetén 3,25 értékkel számolunk. A hőn tartási idő kiszámítása mindig az adott összetételtől és a hevítés céljától függ, pl. ausztenitesítés esetén alapvetően az ausztenitesítési diagramból határozzuk meg a szükséges hőmérsékletet, ez a érték, majd ehhez számoljuk a hőn tartási időt. Az ipari méretű kemencék hőmérséklete általában eltér az elméleti úton meghatározott értéktől, ezért a hőn tartási idő számítása során pontosítani kell. Gyengén ötvözött hipereutektoidos acélokra: Gyorsacélokra:, min., min, ahol a betűjelek az illető kémiai elemek mennyiségét jelentik tömegszázalékban Lágyítás Általában hidegen alakított félkész termékekhez alkalmazott hőkezelés. Célja az előzetes alakítás során felszaporodó és a további alakítást megnehezítő rácshibák eltüntetése az anyagból. Pl. hidegen hengerelt lemez további vastagságcsökkenése érhető el lágyító hőkezelés után. Hevítés hatására az alakítás során létrejött és feltorlódott diszlokációk a bevitt hő hatására mozgékonyak lesznek, a próbadarabok szélére vándorolnak, hibátlan anyagot hagyva maguk után. Teljes kilágyításról beszélünk, ha pl. az acélt hőmérséklet fölé hevítjük, ausztenites állapotba hozzuk, majd lassan hútjük le. A végeredmény: lemezes perlites szövet kialakulása. A szferoidizáló lágyítás során a rendszer felveszi a legkisebb energiájú állapotot, és a lemezes perlit helyett ferrit alapszövetbe ágyazott karbidrögök alakulnak ki (82 [111]. ábra ). Az így kialakult szövet könnyebben alakítható, mint a lemezes szerkezet és keménysége is kisebb. A hosszan tartó, hőmérséklet alatti izzítás során a kialakult rögök durvulnak, a keménység még tovább csökken. 82. ábra. Szferoidi t (1680xes nagyítás) 111

116 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Ezt a hőkezelést leggyakrabban gyengén ötvözött, nemesíthető és hipereutektoidos acélokhoz alkalmazzák. Nagy széntartalmú acélok esetén a folyamat gyorsítható, ha gyorsan hőmérséklet fölé hevítik egy kicsivel, ezáltal megindul a karbidok oldódása, majd lassan alá hűtik, miközben az oldott karbidok a még meglévőkre válnak ki, s növelik azokat. Ezt a folyamatot többször kell megismételni Normalizálás A szövetben kialakult egyenetlenségeket (szemnagyság-, koncentráció-különbség stb.) szünteti meg. Rendszerint ausztenitesítő izzításból áll, amelyet levegőn való hűts követ; így finom lemezes perlites szövet alakul ki. A normalizálás hőmérsékletét elsősorban a karbontartalmú kiindulási szerkezet határozza meg. Pl. hipereutektoidos acél esetében, ha hőmérséklet fölé hevítünk, akkor a lehűlés során káros szekunder cementitháló (szemcsehatárra kivált szekunder cementit), jön létre. Ezért célszerű a kicsivel fölé hevíteni, amelynek során a karbidok oldódása csak részleges. Hipoeutektoidos acélok esetében szokásos eljárás, hogy a darabot hőmérsékletre hevítik, majd úgy hűtik le, hogy az átalakulás tartományát gyorsan lépjék át, ezáltal az erős túlhűtésből adódóan sok csíra keletkezik, finom szerkezet alakul ki. A normalizálás gyakran nem a befejező hőkezelési művelet, csak megfelelő szerkezetet hoz létre a következő hőkezelés számára. Ezzel szemben a 0,2% szenet tartalmazó hegeszthető ötvözetekben a normalizálást nem követi újabb hőkezelés. Ilyenkor a normalizálást az indokolhatja, hogy a melegalakítás hőmérséklete túl nagy 112

117 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK volt, és durva szerkezet alakult ki, vagy kismértékű hidegalakítást kapott a munkadarab, esetleg a melegalakítás egyenetlen volt, vagy a hegesztési varratok mentén kialakult durvulást kell megszüntetni. A normalizálás eredményét a próbadarab mechanikai tulajdonságainak mérésével és nem a szövetszerkezet vizsgálatával állapítjuk meg Szemcsedurvító izzítás Ennél a műveletnél az ausztenitesítést követően durva ferrit-perlites szövet kialakítása a cél. Normalizálás során gyakran alakul ki ún. soros szövet (83 [113]. ábra), amely az ötvözők nem homogén eloszlásából ered. A forgácsolás során a periodikusan elhelyezkedő ferrit-, ill. perlitsorok igen kedvezőtlenek. Ezért eldurvítjuk a szövetet. 83. ábra. Soros szövet (200x-es nagyítás) 113

118 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Diffúziós (homogenizál) izzítás A szükségtelen vagy káros koncentrációkülönbségek csökkentését, ill. megszüntetését célzó hőkezelések. szilárd oldatok kristályosodása során a szilárd fázis összetétele folyamatosan változik. Általában az idő rövidsége miatt a szilárd fázisban a kocentrációkiegyenlítődés nem tud végbemenni, koncentrációkülönbség, mikrodúsulás alakul ki a dendritágakban. Szoliduszhőmérséklet alatt végzett izzítással ezek az inhomogenitások megszüntethetők. Ha eutektikum is kristályosodik az ötvözetrendszerben, akkor az izzítás hőmérsékletét célszerű az eutektikus hőmérséklet alatt tartani. Ennek az oka az, hogy kristályosodáskor a koncentrációkülönbségek miatt nem egyensúlyi eutektikum is keletkezhet, s ha az izzítás hőmérséklete meghaladja az eutektikus hőmérsékletet, akkor helyi megolvadások jöhetnek létre, amelyek teljesen tönkretehetik a munkadarabot. Különösen alumínium- és rézötvözetek esetén fontos és gyakran alkalmazott hőkezelés. Acélokhoz ez az eljárás a nagy hőmérséklet miatt túlságosan költséges Újrakristályosító izzítás Újrakristályosodáskor kis diszlokációtartalmú lágy kristályok keletkeznek, a hidegalakítás következményei megszűnnek. Melegalakítás során az újrakristályosodás az alakítás hőmérsékletén végbemegy. Ezért kötjük a hideg-, ill. melegalakítás fogalmát az ötvözet újrakristályosodási hőmérsékletéhez. Ennek megfelelően pl. a szobahőmérsékleten végzett hengerlés az acélok esetében hideg-, míg az ólomötvözetek esetében melegalakításnak számít! Az újrakristályosodás szakaszai: diszlokációk átrendeződése, a hibátlan kristályok kialakulása és a szemcsedurvulás. Az újrakristályosodás folyamata függ az ötvözet összetételétől, a hőmérséklettől, az időtől és az alakítás mértékétől. Az újrakristályosodás összekapcsolódhat kiválásokkal (pl. acélban alumínium-nitrid), amely módosíthatja az újrakristályosodás folyamatát. Például az apró szemű kiválások a szemcsehatárokon megakadályozzák a szemcsehatárok mozgását, így a durvulást Stabilizáló izzítás Az ilyen hőkezelés során ahogyan a nevéből is kitűnik a szerkezet stabilizálása a cél. Például az időjárásnak ellenálló acélok stabilizáló izzításakor réz válik ki az ötvözetben. A felhasználás során a felület rozsdásodik, avas laza szerkezetű oxiddá alakul, így a felülethez közel a réz feldúsul, ezáltal megakadályozza a további rozsdásodást. Az ilyen védőréteg kialakulásához először az acélnak rozsdásodnia kell, ezért az ilyen termékeket nem szabad lefesteni! A stabilizáló izzítás másik példája: a hőkezelés során tercier cementit válik ki. Ez természetesen a szívósság romlásával jár, de így kevésbé káros, mintha később a felhasználás során alakulna ki, amikor már nem ellenőrizhető a folyamat. A karbidképződést akár karbidképző ötvözők adagolásával és on történő hőkezeléssel is fokozhatjuk Feszültségcsökkentő izzítás A munkadarabban öntés, hőkezelési megosztás, vagy alakítás hatására kialakult feszültségek csökkenésekor vetemedések, mérettorzulások alakulhatnak ki. Izzításkor ezek a méretváltozások jól szabályozhatók. A hőkezelés lényege a lassú, sebességű hűtés. A feszültségcsökkentő izzítás akadályozza a szemcsehatár menti korróziót, növeli a kifáradási határt, és csökkenti a repedésveszélyt, stabilizálja a munkadarab méreteit A célok nemesítése 114

119 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Az acélok legfontosabb és a leggyakrabban előforduló hőkezelési művelete. Előnye, hogy a kialakuló szerkezet tulajdonsága széles tartományban változtatható. Három fő műveletből áll: ausztenitesítés, edzés és megeresztés. Az ausztenitesítés során legalább olyan hőmérsékleten és annyi ideig hőntartjuk a darabot, hogy ferrit a szövetben ne maradjon. Az összes karbid oldódásához ennél hosszabb időre, és esetenként nagyobb hőmérsékletre van szükség (l. az ausztenitesítési diagramokat a pontban). A további hőkezelés szempontjából a kialakuló ausztenit mennyisége, összetétele és szemcsenagysága a fontos. Nagyobb hőmérsékleten és hosszabb ideig végzett hevítés során egyre több karbid, ill. ha jelen van, akkor egyéb ötvöző megy oldatba, egyre több lesz az ausztenit mennyisége, ill. magasabb lesz az ötvözőtartalma. A nagyobb széntartalmú ausztenitből az edzés során nagyobb széntartalmú, így nagyobb keménységű martenzit jön létre. Magának az edzett munkadarabnak a keménysége viszont bizonyos érték után már nem nő, hanem csökken. Ez a jelenség szintén az ausztenit megnövekedett széntartalmának következménye: nagyobb széntartalom esetén az edzés után kialakult maradék ausztenit mennyisége nő, csökkentéve a munkadarab keménységét. Az ausztenitesítés során a már kialakult ausztenit szemcsenagysága nő, ezekből durvább martenzitkrisztallitok alakulnak ki, ami általában káros. Az ausztenitesítés hőmérsékletének növelésével bizonyos acélok szemcsenövekedése nem folyamatos görbe szerint változik. Ha van valamilyen kiválás a szemcsehatárokon, akkor amíg a kiválás fel nem oldódik, akadályozza a szemcsék növekedését. Ahol a kiválás már oldatba ment, ott a szemcsenagyság hirtelen növekedésnek indul. Ilyenkor az acélban apró és igen nagy szemcséjű ausztenitet is találunk. Ezt a szerkezetet duplex szövetnek, az ilyen viselkedésű rendszerint nitridkiválásokat tartalmazó acélt pedig finomszemcsés acélnak hívjuk (84 [115]. ábra). Általában az az optimális ausztenitesítési idő és hőmérséklet, amely minél nagyobb keménységet, és minél kisebb szemcsenagyságot ad. Ez acélonként más és más hőmérsékletet jelent, hipoeutektoidos acéloknál többnyire hőmérséklet felett -kal, hipoeutektoidos összetétel esetén hőmérséklet felett. 84. ábra. Ausztenit szemcsen agysága hevítés közben 115

120 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Erősen ötvözött acélok esetében mindig figyelembe kell venni az ötvözők hatását, és ennek megfelelően kell az ausztenitesítési hőmérsékletet meghatározni. Pl. ferrit- és karbidképzővel ötvözött gyorsacélok esetén az ötvözők hatására az S pont balra, a kisebb széntartalom, és felfele, a nagyobb hőmérséklet irányába tolódik el. Az S pont koncentrációja 0,2...0,3%-ra csökken. Ahhoz tehát, hogy megfelelő keménységű martenzitet kapjunk edzés után, a karbidokat is oldatba kell vinni, ami jelen esetben magas, az eutektikust megközelítő hőmérsékleten lehetséges. Ötvözött acélokat a szabványban megadott hőmérsékleten célszerű ausztenitesíteni. A hevítés végezhető közönséges légterű kemencében. Ez esetben gondot okozhat a felület erős oxidációja, revésedése, amely anyagveszteséggel jár, és főleg késztermék hőkezelésekor káros. Ilyenkor védőgázról kell gondoskodni (pl. nitrogén-, hidrogén-, endogén-, vagy exogéngáz), a munkadarab összetételétől függően. A másik megoldás az, ha vákuumkemencét használunk. A hőkezelés végezhető fém- vagy sófürdőben is. Az edzés során az ausztenitesítési hőmérsékletről a munkadarabot úgy hűtik le, hogy a kialakuló szövet martenzites legyen. A martenzit a széntúltelítettség miatt igen kemény, de kevésbé szívós (rideg) lesz. A hűtési sebesség kiválasztásakor figyelembe kell venni az adott ötvözet átalakulási diagramját. A nagy kiterjedésű darabok esetében ez még nem elég, mivel a munkadarab belseje lassabban hűl, mint a felülete, ahol közvetlenül érintkezik a hűtőközeggel. Ezért az edzhetőség jellemzésére bizonyos mérőszámokat vezettek be: Kritikus átmérő olyan darab átmérője, amelynek közepén adott hűtési viszonyok között hűtve a szövet 50%- ban martenzites. Ideális kritikus átmérő olyan kritikus átmérő, amely az ideális hűtési (végtelen gyors) sebességhez tartozik. Adott ötvözet edzhetősége az ún. Jominy-vizsgálattal határozható meg. Szabványos méretű hengeres próbadarabot ausztenitesítés után egyik véglapjára irányított vízsugárral lehűtünk (85 [116]. ábra). 85. ábra. Jominyvizsgálat 116

121 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Ezután megnézzük a szövet keménységének változását a véglaptól távolodva. Az eredményeket ábrázolva kapjuk az ún. Jominy-görbét. Az így meghatározott görbéből vagy az ötvözet ismert összetételéből kiindulva, többféle számítási eljárás (Grossmann-Moser-Legat- stb.) is ismert a fent említett jellemzők, ill. az edzés feltételeinek meghatározására. Pl. kiválasztható az adott ötvözethez alkalmas hűtőközeg. A leggyakrabban használt közegek: levegő, olaj, víz, különféle szintetikus oldatok stb. A közeg lehet nyugodt vagy különböző mértékben áramoltatott. A közeg hőelvonó képességét a H hűtési erélyesség (felületi hőátadási együttható) mérőszámával jellemezzük. Mértékegysége 1/m, értékeit a 6 [117]. táblázat tartalmazza. 6. táblázat. Hűtési erélyessé g, H, 1/m 117

122 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK A megeresztés célja a martenzites állapottal járó keménység és ridegség csökkentése. Megereszteni hőmérséklet alatti tartományban szoktak. A megeresztés során végbemenő folyamatok: csökken a martenites rács tetragonalitása, karbid válik ki ( ), átalakul a maradék ausztenit ( ), megjelenik a cementit ( ), megjelennek az ötvözőfém karbidjai ( ). Ötvözetlen és gyengén ötvözött acélok esetében a keménység a megeresztési hőmérséklet és az idő függvényében monoton csökken. Minél nagyobb a hőmérséklet, annál nagyobb a karbidok mérete és a karbidok közötti átlagos távolság, vagyis a diszlokációk szabd úthossza. Ennek következtében csökken a szilárdság és a keménység, ugyanakkor nő a szívósság. Az ötvözött acélok keménységgörbéje nem monoton csökken, hanem közelében maximuma van (86 [118]. ábra). Ezt a jelenséget nevezzük szekunder keménységnek. A keménység azért növekedik, mert megjelennek az ötvözőfém karbidjai. Ezek az acélok csak fölé hevítve lágyulnak ki, ezért alkalmasak olyan munkákhoz, amelyek a munkadarab felmelegedésével járnak. A szekunder keménység biztosítja a volframötvözésű gyorsacél forgácsolószerszámok kitűnő élettartamát. 86. ábra. Szekund er keménys ég 118

123 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK Nemesítéskor előforduló hibák. A leggyakoribb hiba az edzési feszültségek kialakulása, ami az ausztenit martenzit átalakulással járó térfogatváltozásból, ill. abból származik, hogy az átalakulás rendszerint nem egyidőben megy végbe az egész darabban. Feszültséget kelt többnyire az is, ha nem martenzit, hanem egyéb szövetelemek alakulnak ki. A kialakuló feszültségek hatására jelentős vetemedések keletkeznek. A nagy belső húzófeszültségek hatására a zárványoktól vagy egyéb hibahelytől kiindulva az ausztenit-szemcsehatárokon repedések indulnak el. Gyakori hiba, hogy az átedződés nem egyenletes. Különböző módon edződik a munkadarab, ha az ausztenit-szemcsenagyság az egyes részeken eltérő, ill. ha az edzőközeg nem egyformán érintkezett a felülettel. Alakos munkadarabok esetében, valamint akkor, ha a felület foltokban revés, ez gyakori gond. Ha hevítéskor a szén a felületből kiég, akkor ott a megváltozott összetétel következtében más szövet alakul ki edzés után A réz- és az alumíniumötvözetek nemesítése A réz- és az alumíniumötvözeteket szintén szilárdság növelése céljából hőkezeljük, a hőkezelés szakaszai is megegyeznek az acélok nemesítésénél megismertekkel, a keményítés mechanizmusa azonban egészen más. A hőkezelés során a diszlokációk mozgását akadályozó kiválások jönnek létre. Ilyen részecskék keletkeznek túltelített szilárd oldatból való kiválás esetén. Ha egy diszlokáció kiváláshoz ér, továbbhaladásához át kell vágnia azt. Az átvágáshoz nagy energia kell, vagyis a kiválás jelentős szilárdságnövekedést okoz. Ha az energiaszükséglet túl nagy, akkor a diszlokáció megkerüli a kivágást (l. a 77 [101]. ábrát). Ekkor mérsékeltebb a szilárdságnövelő hatás. A legnagyobb a szilárdságnövekedés akkor, ha a kiválás a mátrixszal koherens vagy félkoherens (l. a 78 [102]. ábrát). Az ilyen igen apró (100 nm-es) kiválásokat G.P. (Gunier Preston)-övezetnek 119

124 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK hívjuk. Nemesíthetőnek nevezzük azt az ötvözetet, amelyikben a túltelített szilárd oldatból való kiválás lépései a következők: szilárd oldat G.P.-övezet metastabil fázis stabil fázis. A homogenizálás (oldó hőkezelés) célja az ötvözők minél tökéletesebb oldása, ezért mindig a szolvuszhőmérséklet felett és a szolidusz-hőmérséklet alatt kell végezni. Az esetleges helyi megolvadások elkerülésére célszerű kal az eutektikus hőmérséklet alatt maradni. Az oldó hőkezelés ideje az ötvözet állapotától, összetételétől, ill. a darab vastagságától függ. Az edzés az oldó hőkezelés során kialakult szilárd oldat állapotának megtartását célozza szobahőmérsékleten is. Mivel általában gyors hűtést jelent, ezért gyakran hívják,,befagyasztásnak. Az edzés akkor sikeres, ha a nagy hőmérsékleten kialakult szerkezet minden atomja, ill. vakanciája a helyén marad. A leggyakrabban előforduló hiba, hogy a kritikus hőmérsékleten megindul a kiválás. Kritikus hőmérsékletnek nevezzük azt a tartományt, amelyben a kiválási folyamat különösen gyors. A kiválás sebessége a túltelítettségtől (túlhűléstől), ill. a diffúzió sebességétől függ. Megeresztés (öregítés). A túltelített nem egyensúlyi szilárd oldatból az ötvözók kiválni igyekeznek. Kis hőmérsékletű hevítéssel ez a folyamat jól szabályozható. A kiválások a körülményektől függően többfélék lehetnek. Az egyensúlyi diagramba ún. nem egyensúlyi szolvuszgörbéket is berajzolhatunk, amelyek a kiváló fázisok stabilitási területeit mutatják. A legkisebb hőmérsékleten keletkeznek a G.P.-zónák, ennél nagyobb hőmérsékleten a metastabil fázis(ok), végül a legnagyobb hőmérsékleten a stabil egyensúlyi fázis. A G.P.-zóna képződése szobahőmérsékleten is megindulhat. Ekkor pusztán néhány napos, esetleg hetes hevertetéssel is jelentős szilárdságnövekedés érhető el. Az ilyen ötvözeteket önnemesedő ötvözeteknek hívjuk. A szilárdsági tulajdonságok a hőkezelési idő függvényében maximumos görbe szerint változnak, ezért fontos a megfelelő idő és hőmérséklet meghatározása. Az egyensúlyi fázis megjelenésével a kiválások mérete és a köztük lévő távolság már nagy, a szilárdsági tulajdonságok csökkennek, a kontrakció és a nyúlás nő, vagyis az anyag lágyul. Ez a folyamat a túlöregítés, ami a felhasználás szempontjából általában káros Felületi edzés Abban az esetben alkalmazzák főleg acélok esetén, ha csak a felületnek kell nagy szilárdságúnak, kopásállónak lennie (pl. fogaskerekek, tengelyek, hengerek, húzószerszámok, vasúti sínek). Többféle módszer ismeretes: A teljes keresztmetszetet ausztenitesítik, majd a hűtést úgy irányítják, hogy csak a felület edződjön. Ötvözetlen nagy széntartalmú acélok esetében használatos eljárás. Csak az edzeni kívánt részt ausztenitesítik, majd megeddzik. Ausztenitesíteni lehet valamilyen fém- vagy sófürdőbe való mártással. Ez általában egyszerű, de nehezen szabályozható módszer. Ennél jobb megoldás a lánggal való fűtés, ami a hegesztéshez hasonlít, csak arra kell vigyázni, hogy az anyag ne olvadjon meg. Gyakran alkalmazzák a villamos, indukciós melegítést is. Ezek az eljárások jól szabályozhatók, és finom ausztenit-szemcseszerkezet alakul ki. Az alapanyagot mindenképpen nemesíteni kell. Nagyon vékony (tized milliméteres) edzett kéreg kialakításához elektronsugárral vagy lézersugárral pásztázva melegítik fel az anyagot. Ez esetben általában hűtőközegre már nincs is szükség, maga a munkadarab tömege vonja el a hőt a felmelegített részről Termokémiai kezelések A termokémiai kezelések célja csakúgy, mint a felületi edzésé a felület keménységének, szilárdságának növelése. Az eddig bemutatott hőkezelésekkel szemben a termokémiai eljárások megváltoztatják a felületen a darab összetételét. Cementálás. A legkézenfekvőbb a széntartalom növelése. Ezt az eljárást szenitésnek, cementálásnak, kérgesítésnek vagy betétből való edzésnek hívják. A szenet célszerű ausztenites állapotban bevinni. Az a jó, ha a felületen a széntartalom 0,8...0,9%, míg a mag széntartalma 0,25%. A cementáló közeget a szénpotenciál jellemzi, amely megmutatja, hogy adott hőmérsékleten cementálva a színvasat, mennyi szén oldódik fel. Az oldódás mértéke függ a szén állapotától; a legjobb, ha CO alakban van jelen. A cementálóközeg lehet gáz, faszén, sófürdő. Cementálás után megeddzik a munkadarabot, majd újabb felhevítéssel és edzéssel beállítják a kívánt szemcsenagyságot, ill. a mag és a kéreg szövetszerkezetét. Finomszemcsés acél használatával a többszöri felhevítés költségei megtakaríthatók, és elkerülhető a cementáláskor kialakuló szemcsedurvulás. Ezzel az 120

125 HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK eljárással a darab feszültségállapota is az igénybevételnek megfelelően állítható be. Pl. húzó igénybevételnek kitett munkadarabban célszerű nyomó maradófeszültséget beállítani. Nitridálás. A 0,1...0,2 mm vastag, igen kopásálló réteget nitrogéntartalmú vegyületek kialakításával hozzák létre. Az eljárást mintegy körüli hőmérsékleten végzik. A nitridálás általában a nemesítést követően, ammóniagáz elbontásával történik. Boridálás. Ahogyan a nevében is benne van, e hőkezelési eljárás során hőmérsékleten bórt visz a felületbe. Bórt leadó közegben való izzításkor FeB és vegyületek keletkeznek 0,1 vastagságban, keménységük 2000 HV. Az igen kemény, kopásálló réteg kialakítása után a munkadarabot megeddzik, majd megeresztik, hogy a mag tulajdonságai is megfelelők legyenek. Szubsztitúciósan oldódó ötvözőkkel (pl. Al, Cr, Si, Ni, W, Zn, Sn) a kezelés hőmérséklete nagyobb, mivel a szubsztitúciós oldódás időszükséglete több, mint az intersztíciós oldódásé. Azonkívül ezeket az ötvözéseket nem a keménység és a kopásállóság növelése, hanem egyéb tulajdonságok, mint pl. a hőállóság növelése céljából végzik Termomechanikus kezelések Az eljárások során a melegalakítást és a hőkezelést összekapcsolják. Nagy hőmérsékletű termomechanikus kezelés esetén a melegalakítást ausztenites állapotban végezik, és a melegalakítás következményei benne maradnak az anyagban, nem történik újrakristályosodás. Ha a hőmérséklet kisebb, akkor az ausztenit még keményebb lesz. Ez a kezelés csak erősen ötvözött acélokhoz alkalmas, ahol a C görbék jobbra, a hosszabb idők irányába tolódnak el. Ha tovább csökken a hőmérséklet, akkor az alakítás és az átalakulás azonos időben zajlik. Ilyenkor az eutektoid nem lemezes, hanem ferritben ágyazott karbidrögök alakulnak ki Patentozás Termomechanikus kezelésnek is felfogható izotermás, főleg huzaltermékekhez alkalmazott hőkezelés, amelynek a célja nagy szilárdságú, jól alakítható perlites szerkezet létrehozása. A hőkezelés után létrejött nagyon finom, lemezes perlites szövet jól alakítható, nagymértékben keményedik. A hidegalakítást jól elviseli, így az edzett acél szilárdságával vetekedő végtermék jön létre. A gyakorlatban az izotermás hőkezelést általában fém- vagy sófürdőben végzik Heterogenizáló izzítás A szolvuszhőmérséklet alatt végzett hevítés hatására az anyagban kiválások jelennek meg. Különösen jellemző ez az Al-Mn ötvözetek esetén, amikor a kiválások megjelenésével a villamos vezetőképesség nő. 16. Kérdések, feladatok 1. Mi a kilágyítás és a szferoidizáló lágyítás közötti különbség? 2. Milyen a kialakuló szövet normalizálás után? 3. Milyen ötvözeteknél használnak homogenizáló és melyeknél heterogenizáló hőkezelést? 4. Milyen lépései vannak az újrakristályosodásnak? 5. Mikor alkalmaznak feszültségcsökkentő izzítást? 6. Milyen lépései vannak a nemesítésnek? 7. Hogyan változik a szövet keménysége a nemesítés egyes lépései alatt acél, ill. alumínium hőkezelése során? 8. Jellemezze a G.P.-övezeteket! 9. Milyen izotermás hőkezeléseket ismer? 10. Milyen termokémiai kezeléseket ismer, és mi a céljuk? 121

126 8. fejezet - A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Alapfogalmak Az anyagszerkezet-vizsgálat gyakorlati jelentőségét az adja, hogy a fémötvözetek fizikai tulajdonságait (szilárdságukat, sűrűségüket, villamos vezetőképességüket vagy éppen a korrózióval szembeni ellenálló képességüket) az ötvözetek atomos szerkezete (a kristály típusa, a kristályhibák formája és mennyisége), valamint szövetszerkezete, más néven mikroszerkezete: az ötvözetet alkotó szemcsék mérete, az alapfém kristályszerkezetével összefüggő (koherens) kiválások mennyisége vagy az alapanyag kristályaitól többé kevésbé független (inkoherens-) részecskék száma és mérete határozza meg (87 [122]. ábra). 87. ábra. A fémötvöz etek térbeli szerkezet e Mindezekből következik, hogy a megfelelő tulajdonságú ötvözetek előállításához pontosan ismerni kell a szerkezetüket. A szerkezetet vizsgáló módszerek sokfélék, ide tartoznak többek között a különböző fény- és elektronmikroszkópos módszerek. A fémek szövetszerkezete szabd szemmel ugyanis nem tanulmányozható, vizsgálatukra szeres nagyítású fénymikroszkópot vagy szeresnél is nagyobb nagyításra képes elektronmikroszkópot használunk. A fémek atomos felépítését, kristályos szerkezetét röntgensugár segítségével lehet tanulmányozni A próbavétel. A vizsgálandó próbatestek beágyazása 122

127 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Ahhoz, hogy a fémek és ötvözeteik szövetszerkezetét fénymikroszkóppal vagy elektronmikroszkóppal meg tudjuk vizsgálni, először is csiszolatot kell készíteni. A csiszolatkészítés első lépése a próbavétel. Ez döntő jelentőségű, hiszen a próbatestnek az egész anyag szerkezetét kell jellemeznie, nem közömbös tehát, hogy a gyártmány melyik részéből, milyen módszerrel és milyen módon vágjuk ki a próbatestet. Hengerelt, kovácsolt alkatrészek szálirány-elrendeződését, zárványosságát mindig hosszmetszeten vizsgáljuk. Ugyanezeken az alkatrészeken a gázhólyagokat vagy a hengerlési, kovácsolási gyűrődéseket keresztirányú csiszolatokon mutathatjuk ki a legjobb minőségben. A vizsgálat helyének és a csiszolat síkjának kiválasztása után a próbatestet ki kell vágni. A kivágás módja a vizsgálandó anyag keménységétől függ. Lágy anyagot fűrészeléssel, esetleg esztergálással, marással vagy gyalulással darabolhatunk. Nagyobb nehézséget jelent a kemény anyagból, pl. az edzett acélból való kimunkálás, ekkor köszörűkorongokkal vagy gyémánttárcsával vághatunk kisebb méretű próbatestet. A próbatestek melegedését feltétlenül el kell kerülni, mert az újrakristályosodás vagy az edzett acélok megeresztődése miatt a szövetszerkezet jelentősen megváltozhat. A vizsgálatra szánt próbatestek nagysága a gyártmány méretétől és a vizsgálat céljától függ. Keresztmetszetük lehetőleg ne legyen nagyobb 30x30 mm-nél, mert ennél nagyobbat nehéz csiszolni. Az apró vagy kedvezőtlen alakú próbatestet a 88 [123]. ábrán látható fémkeretbe foglalják, majd azzal együtt csiszolják, polírozzák és maratják. Egy másik egyszerű eljárás szerint a próbatestet üveglapra helyezik, és műanyag gyűrűvel veszik körbe, majd hidegen keményedő műgyantába (például ipari Dentacryl-ba) ágyazzák (89 [123]. ábra). 88. ábra. A próbatest ek befogása fémkeret be A vizsgálandó fémfelületet csiszolás előtt síkra kell munkálni, esztergálással, marással vagy gyalulással, ügyelve arra, hogy a próbatestek ne melegedhessenek fel. A keményebb próbatestek vizsgálandó felületét köszörülni szokták. 89. ábra. A próbatest ek beágyazá sa műgyant ába 123

128 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA A próbatestek csiszolása, polírozása és maratása A megfelelően előkészített próbatesteket egyre finomabb általában 60, 100, 150, 220, 280, 320, 400, 500 és 600 szemcsefinomságú csiszolópapírokkal kell megmunkálni. Lágyabb anyagok előkészítésekor elegendő, ha a sorozatnak csak minden második tagját használjuk. Egy-egy fokozaton mindig az előző csiszolás nyomaira merőlegesen kell végezni a csiszolást, mindaddig, amíg az összes nyomot el nem tüntettük. A 90 [124]. ábrán az érintetlen szövetszerkezet felett a különböző fokozatú csiszolószemcsék által okozott karcokat, s a létrejött deformált réteget tüntettük fel. Az ábrából látható: hiába csiszolunk később akármilyen gondosan, ha egy durvább fokozaton elmulasztottuk a deformált réteg teljes eltávolítását. Az egyes fokozatok között vízzel gondosan meg kell tisztítani a próbatesteket, mert akár egy-egy nagyobb csiszolószemcse is összekarcolhatja a próbatestet. 90. ábra. A megmun kálással deformál t réteg és az ép mikrosze rkezet 124

129 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Nagyon hatékony és korszerű módszer a nedvescsiszolás. Ekkor a szilícium-karbid szemcséket tartalmazó csiszolópapírt olyan korongra helyezzük, amelyet folyamatos vízáramnak teszünk ki (91 [125]. ábra), így a centrifugális erő hatására a kicsapódó víz helyén keletkező vákuum a papírt a koronghoz szívja és simán tartja. Eközben a vízáram folyamatosan eltávolítja a próbatestről leváló szemcséket és a szilícium-karbid részecskéket. 91. ábra. Nedvescs iszolás 125

130 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Az előzetesen legalább 400-as szemcsefinomságú papíron csiszolt és tisztára mosott próbatestet nemezzel, posztóval, vászonnal bársonnyal bevont forgókorongokon polírozzuk, s polírozószerrel nedvesítjük. Rendszerint vízben lebegtetett (szuszpendált) alumínium-oxidot használunk. A 92 [126]. ábrán egyetemes asztali polírozógép vázlata látható. 92. ábra. Az asztali polírozóg ép 126

131 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Újabban a próbatestek polírozására gyémántpasztát használunk. Ekkor a műanyag tárcsára helyezett, kifeszített fényesítőszövetre juttatjuk a gyémántszemcséket tartalmazó pasztát. A gyémántszemcsék mérete 0, A pasztával bekent szöveten kezdjük a polírozást, időnként a pasztához szállított kenőanyaggal (vagy denaturált szesszel) nedvesítünk. Ezzel a módszerrel a rendkívül kemény ötvözetek is igen jól fényesíthetők (93 [127]. ábra). 93. ábra. Gyémánt szemcsés polírozás Ipari üzemek minőség-ellenőrző központjaiban, ill. anyagvizsgálati és metallográfiai laboratóriumaiban rendszerint nagyobb mennyiségű csiszolatot készítenek. Ezt úgy automatizálják, hogy a műgyantába ágyazott azonos méretű próbatesteket automatikus próbatartóba fogják be (94 [127]. ábra). A próbatesteket egyedileg különböző nagyságú rugó- vagy súlyterheléssel kell a csiszoló-, ill. a polírozókoronghoz szorítani. 94. ábra. Automati kus próbatar tó 127

132 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Amikor a csiszoló- (polírozó-) korongot forgásba hozzuk, a vezetőtárcsa is forogni kezd, valamint a próbatestek külön-külön is forognak saját tengelyük körül, mivel a korongnak kívül nagyobb a kerületi sebessége. A próbatartó tehát nemcsak tartja a próbatesteket, hanem külön hajtás nélkül forgatja is. A próbatesteknek csiszolással és polírozással létrehozott tükörfényes felületén általában nem láthatók a szövetszerkezet részletei. Legfeljebb a matt zárványokat, repedéseket vagy az öntöttvas grafitját vizsgálhatjuk az ilyen csiszolatokon. A szövetszerkezet részleteit: a szemcsehatárokat, az egyes fázisokat maratással tesszük láthatóvá. A maratás során az ötvözet egyes fázisai különbözőképpen oldódnak, sík vagy éppen szabálytalan felületet hoznak létre (95 [128]. ábra), amely mikroszkópos eljárásokkal már jól megfigyelhető. 95. ábra. Többfázi sú ötvözet maratása 128

133 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Az ötvözetek nem maródott, sík szövetrészletei a mikroszkópban világosnak látszanak, mert az ilyen felületekről visszaverődött fénysugarak nagy része közvetlenül bejut a tárgylencsébe. Ezzel szemben az erősen maródott, egyenetlen felület általában sötét, mert a fénysugarak jelentős része szétszóródik, és nem vesz részt a mikroszkópos képalkotásban. A legegyszerűbb maratás az, ha az ötvözetet maratószerbe mártjuk vagy helyezzük, s addig tartjuk benne, amíg az a hatását kellően ki nem fejtette. Erre a célra a leggyakrabban használt maratószer a 21% salétromsav alkoholos oldata, az ún. nital. A nital a salétromsav angol nevének nitric acid és az alkohol szó kezdőbetűinek összevonásából keletkezett. Az alumíniumötvözetek maratására általánosan használt maratószer a hidrogén-fluorid 0,1...1%-os vizes oldata. Hatékonyabbá tehetjük a közönséges maratást, ha a próbatest felületének oldódását elektrolízissel elősegítjük. Ezt nevezzük elektrolitos maratásnak (96 [129]. ábra). A legkönnyebben megvalósítható esetben a próbatestet és a saválló acélból készült elektródát egymással szemben bemártjuk a maratószerbe. A próbatestet az egyenfeszültségű áramforrás pozitív, az elektródát pedig az áramforrás negatív sarkához csatlakoztatjuk, így az elektrolitos oldódás végbemegy. 96. ábra. Elektroli tos maratás 129

134 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA A fénymikroszkóp felépítése A fémtani vizsgálatra szánt termékeket célszerű először szabad szemmel megvizsgálni, és tájékozódni próbatest felületén lévő esetleges törésekről, repedésekről vagy korróziós folyamatokról. Az ilyen szabad szemmel végzett vizsgálatot makroszkópos vizsgálatnak nevezzük. A szövetszerkezetet és a különböző fázisokat viszont csak mikroszkóppal tehetjük láthatóvá. A mikroszkóp lényegében két lencséből áll. A tárgyhoz közelebb lévő tárgylencse (objektív) a tárgy valódi, fordított állású, nagyított képét hozza létre (97 [130]. ábra). Ezt a valódi képet egy másik lencsével, a szemlencsével (okulárral) tovább nagyítjuk, így jutunk az AB tárgy fordított állású, erősen nagyított látszólagos képéhez. A mikroszkópos kép minősége nagyrészt az objektíven múlik. Az objektív két fontos adata a fémgyűjtő képesség ( ) és a feloldóképesség. 97. ábra. A fénymikr oszkóp képalkot ása az objektív fókusztáv olsága; az okulár fókusztáv olsága; az objektív és az okulár gyújtópon 130

135 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA tjai közötti köz; 250 mm a normális éles látás mélysége Fémgyűjtő képesség. A képalkotásban csak azok a fénysugarak vesznek részt, amelyek az objektívbe belépnek (98 [131]. ábra). Az numerikus apertúra az apertúraszög szinusza, vagyis a fél lencseátmérő és az fókusztávolság a hányadosa:. Ez az összefüggés arra az esetre vonatkozik, amikor az objektív és a próbatest közötti teret levegő tölti ki. Ha a lencse és a tárgy közé olajat (pl. cédrusfaolajat) öntünk, akkor olyan 1 fénysugarak is bekerülhetnek az objektívbe, amelyek a levegőn áthaladva elkerülnék azt (2). Ha a felhasznált olaj törésmutatója n, akkor az ún. immerziós objektív numerikus apertúrája:. 98. ábra. Az objektív NA fénygyűjt ő képesség e a) 131

136 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA normálob jektív; b) immerzió s objektív Feloldóképességen annak a két legközelebbi pontnak a tárgyon mért távolságát értjük, amelyet a nagyított képen meg tudunk különböztetni. A fény hullámtermészete miatt a feloldóképesség nem növelhető tetszés szerint. Ha ugyanis a tárgy két, egymástól távolságra levő A és B pontját objektívlencsével vizsgáljuk, a fényhullámok elhajlása miatt a pontoknak egy-egy véges méretű, korongocska felel meg. Ha tehát az A-B pontokat bizonyos távolságnál jobban közelítjük, az korongok összeérnek, s nem láthatók külön-külön (99 [132]. ábra). Ernst Abbe bebizonyította, hogy ha az objektív numerikus apertúrája, a használt fény hullámhosszúsága pedig, akkor a feloldóképessége nem lehet jobb, mint (planparallel-lemezes vertikális illuminátor esetén). 99. ábra. Az objektív feloldóké pessége 132

137 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Figyelembe véve, hogy a zöld fény hullámhosszúságú, az immerziós objektív maximális numerikus apertúrája pedig 1,6, a fénymikroszkóppal legfeljebb feloldóképesség érhető el. A fémtani gyakorlatban használt fénymikroszkóp megvilágítóberendezése a 100 [133]. ábra látható. A fényforrás mindig mesterséges, a szubjektív megfigyeléshez W-os, a fényképezéshez W-os fényforrás használatos. A megvilágítócső feladata, hogy a fényforrásból kilépő fénysugarakból párhuzamos fénynyalábot alkosson. A sugárnyaláb vertikális illuminátorra esik, amelyik a fényt az objektív felé, majd a csiszolatra irányítja. Vertikális illuminátorként rendszerint üveglapot használnak ábra. A fénymikr oszkóp megvilág ítóberen dezése L fényforrá s; K K' kollektorl encsék; C kondenzo rlencse; L' a fényforrá s képe az apertúrafényrekes zben; L a fényforrá s képe az objektív gyújtósíkj ában 133

138 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Az üveglap a ráeső fénysugaraknak csak egy részét tereli az objektív felé, a sugarak másik része áthalad rajta. Hasonló történik a tárgyról visszavert fénysugarakkal is: a szemünkbe azok a sugarak érkeznek, amelyek az illuminátorról első alkalommal a tárgy irányába haladtak, majd onnan visszaverődve, s az illuminátoron áthaladva az okulárba jutottak Az elektronmikroszkópia alapjai Mint az előzőkben említettük, a fénymikroszkóppal legfeljebb 0,1...0,2 felbontás, azaz legfeljebb szeres nagyítás érhető el. A fémötvözeteket alkotó fázisok szerkezetének pontosabb megismeréséhez ennél sokkal nagyobb feloldóképességre van szükség, ezt csak nagyságrenddel rövidebb hullámhosszúságú elektromágneses sugárzással lehet megvalósítani. A feladat megoldásában de Broglie tette meg a döntő lépést, amikor bebizonyította, hogy minden, sebességgel mozgó anyagi részecske egyúttal hullámhosszúságú rezgésként is viselkedik:, ahol a Planck-állandó; a részecske tömege; a részecske sebessége. Ha a nyugalomban lévő elektront feszültséggel gyorsítjuk, akkor az töltésű elektron kinetikus energiája: a sebessége pedig:,. Ha ezt a sebességet és a fizikai állandókat behelyettesítjük a de Broglie-egyenletbe akkor a következő közelítő összefüggést kapjuk:. Ez az összefüggés azt mutatja, hogy a gyorsítófeszültség növelésével az elektronok hullámhossza szinte tetszőlegesen csökkenthető. Pl V gyorsítófeszültséget alkalmazva, a hullámhossz, vagy V esetén lesz. 134

139 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Az elektronok hullámtermészetének kimutatása révén sikerült a fénymikroszkópnál lényegesen jobb felbontóképességű mikroszkópot, az elektronmikroszkópot megalkotni. Ehhez szükség volt szabályozott elektronforrásra, valamint elektronoptikai lencsékre. Az elektronágyú elvét a 101 [135]. ábra szemlélteti. Az izzó katódból kilépő elektronokat nagy gyorsítófeszültség szívja el a felület közepéből, ehhez az anódra V pozitív egyenfeszültséget kell kapcsolni. A Wehnelt-henger célszerűen kialakított elektróda, amely negatív feszültsége miatt taszítja az izzó katódot körülvevő elektronfelhőt, így szabályozza az elektronáramot. Az elektronok a Wehnelt-henger és az anód közötti térrészben mindig az azonos mágneses térerősségű felületekre, az ún. ekvipotenciális felületekre merőlegesen haladnak, és így egy nyílásszöggel szóródó elektronsugár jön létre ábra. Az elektroná gyú elve Az elektronoptikai lencsék elvi alapja az a fizikai jelenség, hogy az elektronok a mágneses tér hatására megváltoztatják röppályájukat. A mágneses lencsékben gyűrű alakú elektromágneses tekercsek révén forgásszimmetrikus mágneses erőterek hozhatók létre. A megfelelő irányú mágneses erővonalak vagy légrés (102 [136]a ábra), vagy pólussaru (102 [136]b ábra) segítségével alakíthatók ki. Ezek révén el lehet érni, hogy a mágneses lencsék adott fókuszpontban gyűjtsék össze az elektronokat. 135

140 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA 102. ábra. A mágneses lencsék szerkezet e Átvilágításos elektronmikroszkóp. Az elektronforrás és az elektronoptikai lencsék segítségével az átvilágításos fénymikroszkóphoz nagyon hasonló felépítésű, átvilágításos (transzmissziós) elektronmikroszkóp alakítható ki. (103 [136]. ábra) ábra. Az átvilágítá sos elektron mikroszk óp elve A nagyon vékony tárgyon áthaladó elektronok a különböző vastagságú sűrűségű vagy eltérő rendszámú anyagrészeken más-más mértékben szóródnak, majd az objektív és a projektív segítségével az eltérő elektronintenzitású foltokból a megfelelő ernyőn létrejön az elektronmikroszkópos kép. A cink-szulfid vagy nátrium-jodid bevonatú ernyők az elektronok hatására látható fényt bocsátanak ki, így az elektronmikroszkópos kép szabad szemmel is megfigyelhető. A nagy nagyítású transzmissziós elektronmikroszkóppal (High Resolution Transmission ElectronMicroscope) a fémötvözetekben előforduló kisméretű kiválások, rácshibák, sőt az atomsíkok is láthatóvá tehetők (104 [136]. ábra) ábra. Éldiszlok ációs vonalak. Átvilágít ásos elektron 136

141 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA mikroszk óppal készült felvétel (25 000xes nagyítás) A pásztázó elektronmikroszkóp (Scanning ElectronMicroscope, 105 [137]. ábra) 1965-ben jelent meg először a kereskedelmi forgalomban. Az elektronágyúból kilépő elektronsugarat mágneses lencsékkel a próbatest felületére, nm átmérőjűre fókuszálják. Megfelelően vezérelt eltérítőtekercs segítségével az elektronsugár mozgatható a tárgyon. A tárgy felületéből kilépő szekunder elektronokat vagy visszavert elektronokat, ill. a próbaáramot mérik, majd a jelet felerősítve katódsugárcsőre vezetik. Így a katódsugárcső egyetlen pontjának fényessége attól függ, hogy a hozzá tartozó tárgypont ill. a gerjesztett igen kis térfogat mennyi szekunderelektront ill. visszavert elektront bocsátott ki. Ezekből a világosabb-sötétebb pontokból rajzolódik ki a katódsugárcsövön a tárgy felületének képe ábra. A 137

142 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA pásztázó elketron mikroszk óp (SEM) elve Megjegyezzük, ez esetben a képalkotás nem elektronoptikai elven történik, s így a felbontóképességet az elektronnyaláb átmérője, valamint a próbatest belsejében lejátszódó elektronszóródás mértéke befolyásolja; legnagyobb értéke 20 nm lehet. A pásztázó elektronmikroszkóp a fémötvözet anyagából kilépő elektronok segítségével hozza létre a tárgy felületének képét. Amikor a PE primer elektronnyalábbal bombázzuk a tárgyat, akkor az anyagba hatoló elektronok körte alakú térfogatot gerjesztenek (106 [138]. ábra) ábra. A próba felületén ek gerjeszté se primer elektrono kkal A gerjesztés és a rugalmas-rugalmatlan ütközések hatására a következő jelenségek játszódnak le: gerjesztés révén SE szekunder elektronok lépnek ki, a primer elektronok egy része visszaverődik, az elektronok más része a 138

143 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA próbatestben abszorbeálódik, az elektronok gerjesztésének hatására karakterisztikus röntgensugárzás is létrejön. Ezen jelek mindegyike felhasználható képalkotásra. A szekunder elektronok 50 ev energiánál kisebb energiájúak, és a próbatest nm vastagságú rétegéből lépnek ki. Segítségükkel a felület domborzatára jellemző, térhatású képet lehet létrehozni (107 [139]a ábra). A visszavert elektronok a próbatest nm mély részben keletkeznek. Mennyiségük az elektron rugalmas szórásában szerepet játszó atom rendszámától függ, így segítségükkel rendszámérzékeny kép jön létre (107 [139]b ábra) ábra. Öntöttva s pásztázó elektron mikroszk ópos képe (500x-os nagyítás) a) szekunder elektrono kkal alkotott kép; b) visszavert elektrono kkal alkotott kép (Kovács Árpád felvétele) A pásztázó (scanning) elektronmikroszkóp segítségével a különféle fémötvözetekből készült termékek, tönkrement szerkezeti elemek felülete nagyon jól vizsgálható, a felvételekből következtetni lehet a töret, a repedés jellegére, ill. a lejátszódó folyamatokra. A 108 [140]. ábrán kis zséntartalmú, ötvözetlen acél szívós törete és egy szerszámacél rideg törete látható. 139

144 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA 108. ábra. Töretfelü letről készült pásztázó elektron mikroszk ópos felvétel a) ötvözetle n acél szívós törete (10000xes nagyítás); b) szerszám acél rideg törete, (500x-os nagyítás) (Kovács Árpád felvétele) A 108 [140]a ábrán a szekunder elektronok jól láthatóvá teszik a különbözőképpen maródott, így más-más felületi rajzolatot mutató grafitot (fekete), a ferritet (szürke) és a lemezes perlitet. A visszavert elektronok által létrehozott képen (108 [140]b ábra) csak a kisebb rendszámú grafit (szén) és a nagyobb rendszámú fémes alapanyag (vas) különböztethető meg. A szekunder elektronok segítségével készült felvétel a szívós töretre jellemző, és a törést megelőzően keletkezett gödröket, valamint az azok alján található MnS-zárványokat mutatja. A szintén szekunder elektronok alkotta másik képen a síklapokkal határolt, hasadásos (kagylós) töretfelület látható A kristályszerkezet vizsgálata röntgensugárral 140

145 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA A röntgensugarak tulajdonképpen elektromágneses hullámok pontosan olyanok, mint a rádióhullámok, a hősugarak vagy a látható fény. A sokfajta elektromágneses hullám között a hullámhosszúság alapján tehetünk különbséget (109 [141]. ábra). A röntgensugarak hullámhosszúsága a... m-es tartományba esik, ezzel szemben a látható fény hullámhosszúsága m (ibolya) és a (vörös) között van. Mint ahogy Einstein igazolta, a frekvenciájú (ill. hullámhosszúságú) elektromágneses sugárzás energiája:, ahol a Planck-állandó; a fénysebesség. Az egyenlet értelmében minél nagyobb a röntgensugárzás hullámhosszúsága, annál kisebb az energiája, és fordítva ábra. Az elektrom ágneses hullámok osztályoz ása 141

146 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA A röntgensugarakat röntgencsőben állítják elő. A röntgencső elektronforrásból (izzó katódból) és a vele szemben elhelyezkedő antikatódból áll. Az elektródok légtelenített, üvegből készített csőbe vannak forrasztva (110 [142]. ábra). A nagy hőmérsékleten izzó katódból kilépő elektronok a katód és az antikatód közé kapcsolt kv gyorsítófeszültség hatására nagy energiával csapódnak az antikatódba. Az itt lévő atomokkal kölcsönhatásba lépve energiájuk részben röntgensugárzássá alakul. A röntgencsőben keletkező röntgensugarakat kis rendszámú elemekből legtöbbször fém berilliumból készült ablakon keresztül juttatják ki a röntgencsőből, nehogy azok a cső falában elnyelődjenek. Mivel a gerjesztőelektronok energiájának nagyobb része hővé alakul, ezért az antikatód jó hővezető képességű vízzel hűtött réztartón van ábra. A röntgenc ső felépítése A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusát a 111 [142]. ábra szemlélteti. Mint ismeretes, az elektronok különböző energiájú héjakon helyezkednek el az atommag körül. A héjakat belülről kezdve K-, L-, M-héjnak nevezzük. Amikor a nagy energiájú elektron kiüt egy elektront az antikatód valamelyik héjáról, akkor az itt keletkező hiányt egy külső héjról az alsó héjra ugró elektron pótolja. Ebben az esetben az elektron kezdeti és végső állapota közötti energiakülönbség röntgensugárzás formájában távozik. A keletkező röntgensugárzás több hullámhosszúságú vonalsorozatból áll, amely minden elemre nézve hasonló felépítésű, hullámhossza azonban az anód anyagára jellemző. Egy-egy elem legrövidebb hullámhosszúságú sorozatát K- sorozatnak nevezzük, a K-sorozat is két vonalcsoportból áll (, ). A következő, nagyobb hullámhosszúságú sorozat az L-sorozat, ahol a különböző átmeneteket szintén görög betűkkel jelöljük, így megkülönböztetünk -, -, -sorozatot ábra. A karakteri sztikus röntgens ugárzás keletkezé sének mechaniz musa 142

147 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA A karakterisztikus röntgensugárzáson kívül háttér-röntgensugárzás más néven fehér vagy fékezési röntgenspektrum is keletkezik. Fékezési röntgensugárzás akkor jön létre, amikor a gerjesztőelektronok kinetikus energiája az atommag és az elektronok közötti térben lecsökken, és ez az energiakülönbség röntgenfoton formájában távozik. A fehér röntgenspektrum alakja független az antikatód anyagától. Minimális hullámhosszúsága, vagyis maximális energiája megegyezik a gerjesztőelektronok energiájával. Ez abban az esetben fordul elő, ha a gerjesztőelektron teljes energiáját elveszíti. Ez a minimlis hullámhosszúság:, vagyis minél nagyobb feszültséggel gyorsítjuk az elektronokat, annál kisebb a keletkező fékezési röntgensugárzás hullámhosszának minimuma (112 [143]. ábra) ábra. A karakteri sztikus és a fehér röntgens ugárzás 143

148 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Amennyiben a röntgensugarakkal rácssíktávolságú kristályos anyagot vizsgálunk (113 [144]. ábra), a röntgensugarak a rácsot alkotó atomokon elhajolnak, ugyanúgy, mint a fénysugarak az optikai rácson. Az atomok mint szórócentrumok az eredeti röntgensugárzással megegyező energiájú (ill. hullámhosszúságú) sugarakat a tér minden irányába eltérítik. Ugyanez a jelenség játszódik le a rácssíktávolságnyival beljebb elhelyezkedő atomokon is. A próbatest felületét elhagyva a különböző atomsíkokon szóródott röntgensugarak között útkülönbség keletkezik. Ha ez az útkülönbség a hullámhossz egész számú többszöröse, interferencia jön létre, és a szóródott röntgensugarak erősítik egymást, más szóval létrejön a diffrakció. Az idősb és ifjabb William Bragg által levezetett összefüggés szerint: ábra. A röntgens ugarak interfere nciája a kristályr ácson 144

149 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Az összefüggés azt mutatja, hogy ha hullámhosszúságú röntgensugárzással vizsgálunk rácssíktávolságú anyagot, a Bragg-egyenletet kiegyenlítő szögnél jön létre az interferencia, és a szórt röntgensugárzásnak maximális lesz az intenzitása. Ezen összefüggés felhasználásával lehetőség nyílik a kristályos szerkezet vizsgálatára, a síktávolság vagy éppen a rácsparaméter mérésére, ill. a rács típusának azonosítására. A legegyszerűbben kivitelezhető mérési módszer a Debye Scherrer-eljárás (114 [145]. ábra). A vizsgálandó próbatestből készült port vékony falú üvegcsőbe töltjük, amelyet állandó hullámhosszúságú röntgensugárzás hatásának teszünk ki. A sugárzás a próbatest nagyszámú kristálya között olyanokat is talál, amelyek kielégítik a Bragg-egyenletet. Ily módon nyílásszögű diffrakciós kúpok jönnek létre. Ez azt jelenti, hogy a kúpok palástja mentén a röntgensugárzás intenzitása helyi maximumot mutat. A diffrakciós szög kimérésére filmet használhatunk, amellyel átmérőjű henger alakban vesszük körbe a próbatestet. Ahol a diffrakciós kúpok mentén az intenzív röntgensugárzás a filmet eléri, végbemegy a jól ismert ezüst-bromidos reakció, és a film megfeketedik. Előhívás után a filmet síkba terítjük, és megmérjük a diffrakciós gyűrűk átmérőjét. Ekkor, Az egyenlet átrendezésével: ábra. A Debye Scherrer -eljárás elve 145

150 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Egyszerűbben meghatározható a diffrakciós szög, ha a tört értéke egyszerű egész szám. Éppen ezért a Debye Scherrer-kamrák geometriai adatait úgy választjuk, hogy a kamrában készülő felvételen 1 mm gyűrűátmérő -nak feleljen meg. Ez úgy valósulhat meg, hogy mm. A diffrakciós gyűrűk átmérőjéből a diffrakció szögét meghatározva, és a Bragg-egyenletbe helyettesítve, meghatározható a rácssíkok távolsága. Ha ismerjük a rácssíkok távolságát, az adatok további feldolgozásával következtethetünk a kristályos anyag rácstípusára, vagy kiszámíthatjuk a rácsparaméterét is. A röntgendiffrakciós felvételek mélyebb elemzése révén megállapítható a fémötvözetek diszlokációsűrűség, az ötvözés hatására bekövetkező rácsparaméter-változás, a mechanikai feszültséggel együtt járó rácsparaméter-torzulás, továbbá következtetni lehet a rácssíkok elhelyezkedésének térbeli egyenlőtlenségére, vagyis az anizotropiára is. A röntgendiffrakciós felvételek segítségével lehetővé válik a kristályos anyagok egyes fázisainak azonosítása, sőt a kristályos fázisok mennyiségének becslése. A korszerű, számítógépes adatfeldoglozással felszerelt röntgendifrakciós laboratóriumok ma már nem nélkülözhetők a minőség-ellenőrzéssel és anyagminősítéssel foglalkozó intézetekben Mikroszkópos mérések A mikroszkópos mérések célja, hogy a fémötvözeteket alkotó szövetelemek és fázisok geometriai jellemzőit (a fázisok által elfoglalt területet, a fázisok lineáris méretét, az alapanyag szemcsenagyságát stb.) meghatározzuk. Az anyagok minősítésével foglalkozó szabványok ma már sok esetben elő is írják a szövetszerkezet számszerű értékelését. Az ötvözetlen szerkezeti acélok ferrit-perlit aránya, az edzett acélok kiindulási ausztenit-szemcsenagysága, a kis széntartalmú acélokban a ferrit szemcsenagysága és alakja, az ötvözetlen alumínium szemcsenagysága, a szilumin eutektikumának finomsága mind jelentősen befolyásolja a belőlük készült termékek tulajdonságait. A térfogatarány meghatározása. A fázisok térfogataránya igen fontos szövetszerkezeti jellemző. Értelmezése a következő: Vegyünk szemügyre egy méretű kockát (115 [147]. ábra), amelynek belsejében térfogatú fázis található. Ekkor a térfogatarány:. Mivel a fémötvözetek nem átlátszók, értékét véletlenszerű síkmetszeten mérhetjük meg. 146

151 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA 115. ábra. Kocka alakú térfogatr ész, benne térfogatú fázis és magassá gban lévő sík Az egyik lehetséges mód a kérdéses -fázis által elfoglalt terület meghatározása, a másik az -fázisba eső vonalhosszúságok mérése, és végül a harmadik az -fázisba eső pontok megszámolása. A térfogatarány egyaránt számítható a területarány, a vonalarány vagy a pontarány alapján. Ezek a mennyiségek egymással teljesen egyenértékűek. 147

152 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA Ezt mutatja a Rosiwal által készített rajz (116 [148]. ábra) is, ahol véletlenszerűen elrendezett négyzetek (mint a kérdéses fázis részecskéi ) láthatók, amelyek által elfoglalt területarány, vonalarány és pontarány egyaránt 0,2, azaz 20% ábra. A területar ány, a vonalará ny és a pontarán y egyenért ékűsége Metsszük el az méretű kockát az x-y síkkal párhuzamosan, s a távolságot válasszuk ki véletlenszerűen, valahol a 0 és az között. Ekkor az adott síkból a második fázis által kimetszett összes terület:. Ennek a területnek az nagysága a metszősík helyzetével változik, ezért meg kell határozni a teljes térfogatra jellemző átlagértéket. Végül, az átlagos területarányt az -fázis átlagos területének és a vizsgált keresztmetszetnek a hányadosa adja, amely a térfogataránnyal azonos:. Rosiwal német geológus írt először arról, hogy a térfogatarányt egyszerű vonalarány-méréssel is meg lehet határozni. Magyarországon a módszert Verő József honosította meg. A vizsgálandó síkmetszet mikroszkópos képére (esetleg fényképére) hosszúságú szakaszokat helyezünk. Ezután megmérjük (pl. milliméterpapír segítségével vagy vonalzóval), hogy a kérdéses -fázis az összesen hosszúságú szakaszokból milyen vonal hosszóságot metsz ki. Ekkor az átlagos vonalarány:. A mikroszkópos mérések között a pontelemzés (pontszámlálás) a legegyszerűbb és a legszellemesebb műveletek egyike. A méréshez rendszeres ponthálóra van szükségünk. A pontháló elemei lehetnek párhuzamos vonalakból álló rácsos alakzatok metszéspontjai vagy rövid vonalszakaszok végpontja (a gyakrabban használt rendszeres 148

153 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA ponthálókat l. a 117 [149]. ábrán). Pontszámláláskor a vizsgálandó területbe (például az -fázisba) eső pontok mennyiségét határozzuk meg, majd a ponthálót véletlenszerűen elmozdítjuk egy másik területre. Az -fázisba eső pontok számlálását mindaddig folytatjuk, amíg értékelhető mennyiségű mérést nem végeztünk. A szemcsehatárra eső pontokat csak értékkel vesszük figyelembe. Ha az -fázis belsejébe eső pontok száma, a mérés során felhasznált összes rácspont száma pedig, a átlagos pontarány: ábra. A leggyakr abban használt rendszer es vonalés pontháló k 149

154 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA A hosszúságú vonalszakaszok a vonalarány mérésre, a szakaszok végpontjai pedig a pontarány meghatározására alkalmasak. Az ábrákon feltüntettük a számításhoz feltétlenül szükséges összes vonalhosszúságot, ill. az összes pontszámot. A mérés során egyszerű hosszméréssel határozzuk meg, hogy a kérdéses fázis mennyit foglal el ebből az. A pontszámlálás alkalmával az adott fázisba eső pontokat kell megszámolni ábra. Egyfázis ú ( ) anyag síkmetsz eti képe A szemcsenagyság mérése. A szemcsenagyság többféle adattal jellemezhető, így például az egységnyi területre esőszemcseszámmal. Az egyfázisú anyag síkmetszeti képén (118 [150]. ábra) az mérésére kétféle módszer ismeretes: Az első esetben a mikroszkóp homályos üvegére kivetített képen megszámoljuk azokat a szemcséket, amelyek teljes egészében a kiválasztott terület rendszerint egy átmérőjű kör belsejében találhatók ( ), és azokat a 150

155 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA szemcséket is, amelyeket a vizsgált terület kontúrja elmetsz ( ). Így az összes szemcse száma. Egy másik módszer szerint összeszámoljuk a szemcsék sarkait, a hármas (vagy négyes) csomópontokat adott területen belül, ekkor. A vizsgált terület nagysága, ahol az alkalmazott nagyítás. Természetesen mindkét esetben az egységnyi területre eső a szemcseszám:. A szemcsék átlagos területe:. A D átlagos szemcseátmérő (négyzet alapú szemcsékre): mm. A mikroszkópos mérések számítógép segítségével is elvégezhetők. Ekkor a fény- vagy elektronmikroszkópos képet videokamera és képdigitalizáló kártya segítségével a számítógép számára is,,érthető digitális adatokká alakítjuk. Ebben az esetben a kép pontokból áll, pl. 512 sorból és 512 oszlopból álló adathalmaz lesz. A mikroszkópos képen látható pontok szürkeségétől (a fekete/fehér skálán elfoglalt helyzetétől) függ a képpont számszerű értéke. Pl. 8 bites felbontás esetén a fekete színnek 0, míg a fehérnek felel meg. Ekkor a számítógép 256 szürke árnyalatot tud megkülönböztetni. Ezután matematikai módszerekkel a képek célszerűen átalakíthatók, s a lényeges és lényegtelen információk elkülöníthetők, a csiszolatkészítés és maratás tökéletlenségei,,kijavíthatók. Megfelelő programok segítségével az egyes képpontcsoportok (a mikroszkópi képen: fázisok) geometriai adatait (területüket, kerületüket, méretüket, alakjukat) könnyen meghatározhatjuk. (További információk az Interneten a címen érhetők el.) 8. Kérdések, feladatok 1. Mi a szerkezetvizsgálat gyakorlati jelentősége? Milyen szerkezetvizsgáló módszereket és eszközöket ismer? 2. Hogyan történik a próbavétel, mire kell ügyelni a vizsgálatra szánt minta kimunkálásakor? 3. Milyen módon lehet a próbatesteket beágyazni? 4. Hogyan mérjük az 500-as csiszolópapír szemcsefinomságát? 5. Mire kell figyelni a csiszolás alkalmával? Mi a nedvescsiszolás? 6. Milyen anyagokkal és eszközökkel végezzük a polírozást? 7. Mi a maratás célja, és milyen marószereket ismer? 8. Rajzolja fel a fénymikroszkópos kép keletkezését! Mit nevezünk objektívnek, ill. okulárnak? 9. Hogyan lehet meghatározni a tárgylencse numerikus apertúráját és felbontóképességét? 10. Hogyan lehet,,változtatni az elektronok hullámhosszúságát? 11. Rajzolja fel az elektronágyút és a mágneses lencsét! Milyen fizikai jelenségek szolgálnak működésük alapjául? 12. Rajzolja fel az átvilágításos elektronmikroszkópot! 13. Mutassa be a pásztázó elektronmikroszkóp működését! 151

156 A FÉMÖTVÖZETEK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATA 14. Hogyan épül fel a röntgencső? Mitől függ a karakterisztikus röntgensugárzás hullámhosszúsága? 15. Mire használható a röntgensugárzás interferenciájának nevezett fizikai jelenség? Milyen feltételek esetén játszódik le? 16. Mit értünk mikroszkópos méréseken? 17. Hogyan lehet meghatározni a fázisok térfogatarányát? Mi a pontelemzés lényege? 18. Milyen módon lehet megmérni a fémötvözetek egységnyi területre eső szemcseszámát? 152

157 9. fejezet - ANYAGVIZSGÁLAT Alapfogalmak A gyakorlati felhasználás során a szerkezeti anyagokat valamilyen mechanikai igénybevételnek (nyomás, húzás, hajlítás, csavarás) tesszük ki. Mivel az anyagokat érő igénybevételek sokfélék, így a velük szembeni ellenálló képességet biztosító mechanikai tulajdonságok is változatosak. Az igénybevételeket aszerint is csoportosítjuk, hogy mennyi ideig hatnak az anyagra. A mechanikai igénybevétel hatására az anyagban alakváltozás következik be, amelynek mérőszáma a próbatest valamilyen méretének fajlagos megváltozása (nyúlása):, ahol a próbatest eredeti mérete, mm; a próbatest megváltozott mérete, mm. Az alakváltozás sebessége az egységnyi idő alatt bekövetkező alakváltozást jelenti, mértékegysége; 1/s. Azokat a vizsgálatokat, amelyek során azt tanulmányozzuk, hogy néhány óra, esetleg több nap, netalán több száz nap alatt milyen alakváltozás megy végbe az anyagban, tartóssági (kúszásállósági) vizsgálatoknak nevezzük. Ekkor az alakváltozás sebessége igen kicsi: 1% maradó alakváltozáshoz... s idő szükséges. Ha az anyag igénybevételét (közepes sebességgel) folyamatosan növeljük egészen a tönkremenetelig, akkor statikus vizsgálatot végzünk. Ebben az esetben 1% alakváltozás s alatt megy végbe. Amennyiben a szerkezeti anyagot ütésszerű dinamikus hatásnak tesszük ki, akkor dinamikus vizsgálatokról beszélünk. Ekkor az anyag 1%-os alakváltozásához... s kell Statikus mechanikai vizsgálatok A mechanikai vizsgálatokat érdemes statikus módon kezdeni, mert az ilyen vizsgálat viszonylag rövid idő alatt elvégezhető, és az anyag legfontosabb tulajdonságait jellemezhetjük vele. A szakítókísérlet során a hengeres vagy a hasáb alakú próbatestet húzó igénybevételnek vetjük alá. A kísérletet az alakváltozás teljes kimerüléséig folytatjuk, vagyis mindaddig, amíg az anyag el nem szakad. A vizsgálattal a külső mechanikai igénybevétellel szembeni ellenálló képességet és az alakíthatóságot tudjuk jellemezni. Sajnos a kísérlet eredménye nem csak a vizsgált anyag tulajdonságaitól, hanem a kísérlet körülményeitől is függ, nevezetesen: a próbatest alakjától, méretétől és felületi egyenetlenségeitől; a befogás módjától; a vizsgálóberendezés pontosságától; a kísérlet elvégzésének módjától, vagyis a terhelés növekedésének egyenletességétől; legfőképpen az alakváltozás sebességétől. A szabványos szakítópróbatestnek három fő része van: a kísérleti hengeres vagy hasáb alakú rész, a befogófejek, valamint a két rész közötti átmenet. A próbatest fő része, ahol a kísérleti jellemzőket meghatározzuk, a hengeres vagy hasáb alakú vizsgálati hossz. Keresztmetszetének nagysága szerint megkülönböztetünk normális próbatestet 314 keresztmetszetű szelvénnyel és ettől eltérő keresztszelvénnyel arányos próbatestet. A gyakorlatban használt próbatestek alakját a 119 [153]. ábra szemlélteti, méreteit pedig a 7 [156]. táblázat foglalja össze ábra. A szabvány os szakítópr 153

158 ANYAGVIZSGÁLAT óbatestek alakja a fej hossza; a szakítópr óbatest teljes hosszúság a; a vizsgálati hosszúság ; az eredeti keresztme tszet; az eredeti átmérő; az eredeti jeltávolsá g 154

159 ANYAGVIZSGÁLAT Nagyon fontos a szakítópróbatestek megbízható befogása. A befogófejek alakja a kísérleti részhez, ill. az alkalmazott szakítógéphez igazodik. Ékes befogófejeket főleg hasáb alakú próbatestekhez és tömeges kísérletek esetén használunk, mert olcsók, gyorsak és a szakítópróbatest fejrészét nem kell megmunkálni. Hátrányuk viszont, hogy ékes befogás esetén a próbatest megcsúszhat, s ez megzavarja a kísérletet. 155

160 ANYAGVIZSGÁLAT 7. táblázat. A szakítópr óbatestek méretei A szakítógépbe befogott próbatest terhelését fokozatosan növeljük a próbatest elszakításáig. A szakítókísérlet közben a terhelőerőt a próbatest eredeti keresztmetszetének 1 -re vonatkoztatjuk, s az így kapott értéket konvencionális feszültségnek nevezzük:. A terhelés növekedése közben a próbatest alakja megváltozik, mérete megnő, vagyis nyúlás következik be. A megnyúlást fajlagos értékekben fejezzük ki, így az relatív nyúlás:, ahol a szakítópróbatest eredeti jeltávolsága; a szakítópróbatest megnövekedett jeltávolsága. Kifejezhetjük a megnyúlást százalékos értékekben is. A megnyúlás a szakítókísérlet elején rugalmas, majd a későbbiekben maradó lesz. A rugalmas megnyúlás szakaszában érvényes az előzőkben már ismertetett Hooketörvény. A lineáris arányossági tényező az anyagra jellemző rugalmassági modulus. A maradó alakváltozás során már nincs a Hooke-törvényhez hasonló összefüggés. Amennyiben a próbatest relatív megnyúlását a mechanikai feszültség függvényében ábrázoljuk, a szakítódiagramhoz jutunk. A szakítódiagram alakja a szerkezeti anyag típusától és tulajdonságaitól függ (120 [156]. ábra) ábra. Különbö ző ötvözetek szakítódi agramjai 156

161 ANYAGVIZSGÁLAT Minden szakítódiagram a rugalmas alakváltozás egyenes vonalával kezdődik. A rideg anyagok (öntöttvas, edzett acél, üveg) már a rugalmas alakváltozás közben elszakadnak, így a rugalmas alakváltozás az egyenes szakasz végén véget ér (120 [156]a ábra). Az ilyen próbatesteken a szakítás után nincs maradó alakváltozás. Az alumíniumötvözetek, valamint néhány sárgaréz fajta rugalmas nyúlása az arányossági határ után lassan laposodó görbébe megy át, megkezdődik a maradó alakváltozás. A szakadás a görbe még emelkedő részén következik be (120 [156]b ábra). A szívós fémek (réz, alumínium, nikkel, ólom) és néhány ötvözetük másképpen viselkedik (120 [156]c ábra). Itt is megtalálható a rugalmas alakváltozás egyenes vonala, amely a maradó nyúlás laposodó görbéjébe vált át, majd a maradó alakváltozás közben a terhelés eléri a maximumot, a próbatest pedig még nem szakad el. A maximális erő elérését követően a terhelés csökkenni kezd, és a szakadás csak ezután következik be. A maximális terhelés utáni feszültségcsökkenés a keresztmetszet hirtelen csökkenésének, az ún. kontrakciónak az eredménye. Ekkor a próbatest alakváltozása nem egyenletes, nem terjed ki a próbatest teljes hosszára, csak a kontrahálódó térfogatban folytatódik. Ebből következik, hogy a kontrakciót megelőző szakaszban a maradó alakváltozás egyenletes, a próbatest teljes hosszúságában a keresztmetszet csökkenése azonos. Hidegen erősen alakított szívós fémek (hidegen hengerelt alumínium, hidegen húzott rézhuzal) a szakítódiagramján (120 [156]d ábra) az arányossági határt követően gyakran azonnal megkezdődik a terhelőerő csökkenése, ezzel a kontrakció. Az ilyen anyagoknak az egyenletes nyúlása igen csekély, esetleg nulla. A lágy acélok szakítódiagramjának jellegzetes alakja a 120 [156]e ábra (görbéjén látható jellegzetessége, hogy a rugalmas alakváltozás határának közelében a terhelőerő hirtelen lecsökken, és a maradó alakváltozáshoz már kisebb feszültség is elegendő. Ez a kisebb feszültség néhány tized, esetleg néhány milliméternyi alakváltozást okoz. Ezt a jelenséget nevezzük folyásnak. A folyás befejezésével a terhelőerő megint nőni kezd, eléri a maximumot, majd a kontrakciót követően csökken, s végül a próbatest elszakad. A szakítókísérlet során, ill. azt befejeződően több fontos jellemzőt határozhatunk meg. A szakítópróba geometriai adatai a következők: a vizsgálati szakasz eredeti keresztmetszete, ; a próbatest legkisebb keresztmetszete szakadás után, ; a hengeres próbatest vizsgálati szakaszának eredeti átmérője, mm; a hasáb alakú próbatest vizsgálati szakaszának vastagsága, mm; a hasáb alakú próbatest vizsgálati szakaszának szélessége, mm; a próbatest hosszúsága a fejrésszel együtt, mm; a próbatest hengeres vagy hasáb alakú részének hossza az átmeneti részek nélkül, mm; a próbatest vizsgálati hosszán kijelölt eredeti jeltávolság, mm; 157

162 ANYAGVIZSGÁLAT a jeltávolság a szakadás után, mm. A szakítókísérlettel meghatározható anyagjellemzők: a szakítószilárdság, amely a legnagyobb terhelőerő és az eredeti keresztmetszet hányadosa, ; a felső folyáshatár, abból a terhelőerőből számított feszültség, amelynél a maradó alakváltozás megindul, ; alsó folyáshatár, a folyás közben mért legkisebb terhelőerőből számított feszültség, ; a szakadáskor fellépő feszültség, amely a szakadáskor mért terhelőerő és az eredeti keresztmetszet hányadosa, ; a terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár, abból a terhelésből számított feszültség, amelynek hatására a próbatest eredeti jeltávolságának 0,2%-os maradó megnyúlása bekövetkezik. A meghatározás során a szakítódiagram vízszintes tengelyén kijelöljük a 0,2%-os alakváltozáshoz tartozó pontot, majd párhuzamost húzunk a szakítógörbe egyenes szakaszával. Az egyenes a szakítódiagramból kimetszi a megfelelő terhelőerőt, amelyet az eredeti keresztmetszettel osztva megkapjuk az egyezményes folyáshatárt. a teljes nyúlás (szakadási nyúlás) százalékban adja meg, hogy az szakítókísérlet végére milyen értékben nyúlt meg, %; hosszúságú eredeti jeltávolság a a kontrakció, a szakítókísérlet végére bekövetkező keresztmetszet-csökkenés, %. Keménységmérés. Keménységen a szerkezeti anyagoknak azt a tulajdonságát értjük, hogy egy keményebb test benyomódásával szemben milyen ellenállást képesek kifejteni. A keménység jellemzésére többféle keménységi mérőszámot használunk. Meghatározásuk közös elve, hogy valamilyen kemény anyagból (edzett acél, gyémánt) készített golyót, kúpot vagy gúlát viszonylag kis sebességgel belenyomnak a vizsgálandó fémbe, majd vizsgálják a benyomódás hatására bekövetkező maradó alakváltozást. A legelterjedtebb keménységmérési módszerek a Brinell-, a Rockwell- és Vickers-féle keménységmérés. Brinell-keménységmérés esetén átmérőjű golyót terhelőerővel nyomnak a vizsgálandó anyagon előkészített sík, polírozott felületbe (121 [158]. ábra). Az alakváltozás során az anyagban gömbsüveg alakú bemélyedés jön létre, amelyet átmérőjű kör határol. A Brinell-keménység mérőszáma a terhelőerő és a gömbsüveg felszínének a hányadosa: ahol a terhelőerő, N; a gömb átmérője, mm., 121. ábra. A Brinellkeménys égmérés elve 158

163 ANYAGVIZSGÁLAT Mivel a mérés eredménye függ a vizsgálati körülményektől, elsősorban az alkalmazott golyóátmérőtől és a terhelőerő nagyságától ezért ezeket szabvány rögzíti. Az edzett golyó átmérőjét a próbatest vastagságának függvényében választjuk. Rendszerint 2,5, ill. 5 és 10 mm átmérőjű golyókat használnak. A terhelőerő nagyságát úgy választják meg, hogy a benyomódás d átmérője 0,2D és 0,7D közé essen. Ezeket az előírásokat betartva a terheléstől kevésbé függő mérőszámot kapunk. A Vickers-keménységmérést ugyanúgy végezzük, mint a Brinellt, de ebben az esetben csúcsszögű, négyzet alapú gyémántgúlát nyomunk a próbatestbe (122 [159]. ábra). A Vickers-keménység mérőszáma úgy adódik, hogy a terhelőerőt elosztjuk a gúla alakú lenyomat felületével. A gyakorlatban a Vickers-nyom átlóját mérjük, ebből a felület kiszámítható. Ha a terhelőerő, N, a lenyomat átlójának átlaga pedig, mm, akkor a keménység: ábra. A Vickerskeménys égmérés 159

164 ANYAGVIZSGÁLAT elve A Vickers-nyom a Brinell-nyomnál sokkal kisebb beavatkozást jelent a felületbe, ez a kész gyártmányok gyakorlatilag roncsolás nélküli minősítését teszi lehetővé. Az ilyen jellegű keménységmérés hátránya az, hogy hosszadalmas. A Rockwell-keménységmérés alapvetően különbözik az előzőktől, mert ebben az esetben a keménységet a benyomódás mélységével jellemezzük (123 [160]. ábra). Az alakváltozás létrehozására vagy edzett acélgolyót, vagy csúcsszögű gyémántkúpot használunk. A golyóval mért keménységi mérőszámot RockwellB (HRB), a kúppal mértet RockwellC (HRC) keménységnek nevezzük ábra. A Rockwell - keménys égmérés elve 160

165 ANYAGVIZSGÁLAT A benyomódás mélységét nem a próbatest felszínétől számítjuk, hanem egy kisebb terhelés, az ún. előterhelés által létesített benyomódás felszínétől mérjük. Ez az előterhelés tulajdonképpen a kúpnak a próba anyagával való pontos érintkezését biztosítja. A fő terhelés hatására létrejövő maradó benyomódás mélységét 0,002 mm egységekben fejezzük ki. A legkeményebb anyag keménységét 130-nak, ill. 100-nak választjuk, s ekkor a keménységi mérőszámok értéke a következő:,. A Rockwell-keménységmérés viszonylag egyszerűen elvégezhető, s könnyen automatizálható. A mérés legnagyobb előnye a gyorsaság. Kevésbé megbízható, mint a Vickers-keménységmérés, ennek ellenére a gyakorlatban sok esetben használjuk Dinamikus szilárdsági vizsgálatok A szerkezeti anyagok lökésszerű mechanikai igénybevétellel szembeni viselkedésére a statikus mechanikai vizsgálatokból nem lehet következtetni, ezért különféle dinamikai vizsgálati módszerek alakultak ki. A dinamikai eljárások során a próbatest egyetlen, erős ütéssel eltörik, és a töréshez alkalmazott fajlagos ütésenergiát határozzák meg. Aszerint, hogy az ütés a próbatestet húzásra, nyomásra, hajlításra vagy csavarásra veszi-e igénybe, dinamikus szakító-, duzzasztó, hajlító- és csavarókísérleteket különböztetünk meg. Legnagyobb gyakorlati jelentősége a bemetszett próbatesttel végzett hajlító-ütő vizsgálatnak van. A Charpy-kísérlethez 10x10 mm keresztmetszetű, 55 mm hosszúságú hasáb alakú próbatestet használunk, amelynek egyik oldalán 2, vagy 5 mm mélységű, vagy 0,25 mm sugárral lekerekített bemetszés van (124 [161]. ábra) ábra. A Charpykísérleth ez használt próbatest 161

166 ANYAGVIZSGÁLAT A próbatestet ütőművel törjük el (125 [162]. ábra). Az állványon csapágyazott inga felemelt állapotában rögzíthető. Ha ezt a rögzítést feloldjuk, az inga leesik, miközben helyzeti energiája mozgási energiává alakul. Az energiának egy része a próbatest eltörésére, pontosabban a törés előtti maradó alakváltozásra fordítódik. A visszamaradó rész az ingát túllendíti függőlegesen, annál magasabbra, minél kevesebb energia fordítódott az alakváltozásra. A túllendülés szögéből, az inga tömegéből és a indulási magasságából számítható a törési folyamat során elhasznált energia. Ezt az energiát elosztva a próba eltört keresztmetszetével, a fajlagos ütőmunkát kapjuk. Az ütőgépeken a próbatest törése során elfogyasztott energia megfelelő skáláról közvetlenül leolvasható. A Charpy-féle ingák általában 100 vagy 300 J mérésére készülnek. Az ütés végsebessége is szabványos: m/s. Ennek igen nagy jelentősége van, hiszen ha különbözik az ütési sebesség, ez eltérő alakváltozási sebességet jelent, s ennek következtében a fajlagos ütőmunka is különbözni fog ábra. A Charpyféle inga 162

167 ANYAGVIZSGÁLAT Az ütőmunka nagyságát a próbatest kialakítása is befolyásolja, elsősorban a bemetszés élessége, mérete és alakja. Ezért az ütőmunka jelölésében a bemetszés alakját is feltüntetjük. Megkülönböztetjük a KU értékét az U alakú, ill. KV értékét a V alakú bemetszésű próbatestek esetén. A Charphy-féle ütőmunka-vizsgálat csak meghatározott alakú (bemetszésű) és adott ütőgépen elvégzett kísérletre érvényes mérőszámot ad. A nem azonos körülmények között végzett vizsgálati eredmények egymással nem hasonlíthatók össze, és egymásba nem számíthatók át! A módszer egyszerűsége miatt igen elterjedt. Ez a vizsgálat arra is alkalmas, hogy az anyag ridegtörési hajlamát a hőmérséklet függvényében jellemezze, hiszen a szerkezeti anyagok ütőmunkája nagymértékben függ a hőmérséklettől. Szívós állapotban a fajlagos ütőmunka nagyobb, mint a rideg állapotban, amikor is sok esetben csaknem nulla. A kettő között inflexiós görbe teremt kapcsolatot. Ennek az inflexiós pontját tekintjük átmeneti hőmérsékletnek, mert ennél kisebb hőmérsékleten az anyag ridegen viselkedik: viszonylag kisebb energiájú ütés hatására bekövetkezik a nem kívánt törés. A gyakorlatban az inflexiós pont meghatározása nehézségeket okoz, éppen ezért az általánosan elfogadott 40 értéket tekintjük a szívós és a rideg állapot közötti átmenetnek. Vagyis az a hőmérséklet, amelyen a fajlagos ütőmunka 40 alá csökken, a szívós-rideg állapot közötti átmeneti hőmérséklet Ismétlődő terheléssel végzett vizsgálatok 163

168 ANYAGVIZSGÁLAT Vasúti üzemben tapasztalták, először, hogy a vasúti kocsik tengelyei az üzembe helyezéstől számított 12 év múlva rendszeresen eltörnek. A jelenség oka az anyag kifáradása. Amióta ezt a jelenséget megismerték, a váltakozó igénybevételnek kitett alkatrészeket és szerkezeteket kifáradásra is méretezik. A Wöhlergörbét(kifáradási görbét) a gyakorlatban úgy veszik fel, hogy különböző feszültségi szinteken meghatározzák a törést okozó igénybevételi számokat. A vizsgálatot több feszültségszinten is elvégzik, és az összetartozó feszültség-igénybevételi számpárokat diagramban ábrázolják. Az így kapott görbe aszimptotikus, tehát van olyan feszültséghatár, amelynél kisebb feszültség végtelen sok igénybevételi szám esetén sem okoz törést. Ez az elméleti kifáradási határ. Innen kezdve a görbe vízszintesnek tekinthető (126 [164]. ábra) ábra. Wöhlergörbe N az igénybev ételek száma Kifáradási határra kell méretezni minden olyan üzemi berendezést, amelynek üzem közbeni igénybevétele meghaladja a értéket. Vannak olyan esetek, amikor nem kell végtelen számú igénybevételre tervezni, ilyenkor gazdaságosabb csökkenteni a szerkezet méreteit, és bizonyos idő elteltével új alkatrészt beépíteni, mielőtt a törés bekövetkezne. Ha a feszültségszinten igénybevételi szám okozna törést a Wöhler-görbe szerint, akkor ennél kevesebb számú igénybevételt a szerkezet elvisel, annak ellenére, hogy a kifáradási határnál 164

169 ANYAGVIZSGÁLAT nagyobb feszültségszinten üzemel. igénybevétel után a szerkezetet ki kell vonni az üzemeltetésből. Ilyen esetben élettartamra (szilárdságra) való méretezésről beszélünk (l. a 126 [164]. ábrát). A Wöhler-görbe meghatározhatja statisztikus módszerrel, ez esetben adott feszültségszinten nagyszámú próbapálcát eltörve meg tudjuk adni a törés valószínűségét. Másik módszer szerint egyetlen próbatesttel az ún. rövidített vagy Locati-féle vizsgálat végezhető el a görbe meghatározásához. A kifáradási határt számos tényező befolyásolja, elsősorban az igénybevétel módja és a feszültségváltozás időbeni lefolyása. Általában négy alapesetet különböztetünk meg (127 [165]. ábra): Szimmetrikus lengőfeszültség (127 [165]a ábra). A leggyakrabban előforduló eset, a feszültség a és a, azaz a húzás és a nyomás között váltakozik, a húzó- és a nyomófeszültség abszolút értéke egyenlő. Ilyenkor a középfeszültség nulla. A kifáradási határt szokták lengő szilárdságnak is nevezni. Lengőfeszültség (127 [165]b ábra). Hasonló az előzőhöz, annyi különbséggel, hogy a feszültségek abszolút értéke nem egyenlő, tehát az igénybevétel nem szimmetrikus. Lüktetőfeszültség (127 [165]c ábra). A feszültség a nullatengely egyik oldalára eső két határérték között ingadozik, tehát változó értékű, de csak pl. húzó igénybevétel lép fel. 0 kezdésű lüktető igénybevétel (127 [165]d ábra). Az előző sajátos esete, amikor az igénybevétel 0 és (vagy 0 és ) között változik ábra. Igénybev ételi módok fárasztóv izsgálato knál A kifáradási határt ezek az igénybevételi módok jelentősen befolyásolják, vagyis a Wöhler-diagramból meghatározott kifáradási határ csak egyetlen esetre érvényes! A gyakorlatban a gépalkatrészek a 165

170 ANYAGVIZSGÁLAT legkülönbözőbb igénybevételi módoknak vannak kitéve, ezért igyekeznek olyan diagramokat kidolgozni, amelyekből kisszámú fárasztóvizsgálat alapján következtetni lehet a többi igénybevételi mód hatására is. Ezek az ún. teljes kifáradási (Smith-féle)diagramok. Két fárasztó- és egy statikus szakítóvizsgálat elvégzése után kapott adatokból a diagram biztonsági területe megszerkeszthető. A területen belül eső feszültségek a különböző feszültségváltozásoknak megfelelően a kifáradási határon belül vannak, törés nem következik be Kúszásvizsgálat Szobahőmérsékleten az acélok alakításakor keményedés jön létre, amely ellenállást tanúsít a további alakítással szemben. A rugalmassági határt meghaladó terheléskor a fém alakja maradandóan megváltozik, de a keményedés miatt a rugalmassági határ is megnő. Ha a terhelés kisebb a szakítószilárdságnál, akkor a keményedés gátat szab a további alakváltozásnak. Ezek után, ha a fémet olyan hőmérsékleten alkalmazzuk, ahol a lágyulás is végbemegy, akkor a rugalmassági határ az eredeti értékére esik vissza. Ez változatlan terhelés mellett újabb alakváltozást tesz lehetővé. Az ilyen állandó terhelés alatt bekövetkező alakváltozást kúszásnak nevezzük. A szerkezeti anyagok terhelhetőségéről ezért kúszásvizsgálattal kell meggyőződni. A kúszásvizsgálat elve a 128 [166]. ábrán látható ábra. Kúszásvi zsgálat Az állandó hőmérsékletre szabályozott kemencébe helyezett próbatestre állandó súlyterhelést rakunk, és mérjük a próbatest nyúlását az idő függvényében. A különböző terhelésektől függően, különböző jellegű kúszásgörbék adódnak (129 [166]. ábra) ábra. Jellegzet es kúszásgö 166

171 ANYAGVIZSGÁLAT rbék A C görbe arra utal, hogy valamilyen, feltehetően fémtani folyamat (pl. karbidkiválás), az alakváltozást megakadályozza, a kúszás megáll. A szokásos jelleget a B görbe szemlélteti: az I. szakaszban nagy a nyúlási sebesség, a II. szakaszban a nyúlás lelassul, a III. szakaszban pedig törésig tartó gyors nyúlás következik be. Egyetlen próbatest vizsgálatával egy kúszásgörbét lehet kapni, ami adott hőmérsékletre és terhelésre érvényes. A gyakorlatban a méretezéshez szükséges kétféle mérőszámot, az időszilárdságot és a kúszáshatárt használjuk. Nyilvánvaló, hogy mindkét jellemző meghatározásához több próbatest vizsgálatára van szükség. A vizsgálati idő lehet 1000 órától akár órás időtartamú is. Az igen hosszú idejű mérések kiváltására ún. extrapolációs módszereket vezettek be Technológiai vizsgálatok Technológiai próbáknak nevezik az olyan vizsgálatokat, amelyek az adott anyag megmunkálhatóságáról tájékoztatnak. Ezek a vizsgálatok általában nem adnak konkrét mérőszámokat, inkább arra adnak választ, hogy a próbatest elviseli-e az adott terhelést vagy sem. A technológiai próbákat igen sok esetben a gyakorlat alakította ki. Technológiai hajlítópróba. A próbatestet vagy bizonyos szögig, vagy a szárak párhuzamosságáig kell hajlítani. Ehhez általában a 130 [168]. ábra látható szerkezetet használjuk. A próba megítélésére alkalmas az ún. Tetmayer-féle hajlítási mérőszám:, 167

172 ANYAGVIZSGÁLAT ahol a lemez vastagsága; a semleges szál (középvonal) sugara ábra. Technoló giai hajlítópr óbavizsgálat A próbatestet általában hidegen hajlítjuk. Ha a lemez a -os hajlítást repedés és törés nélkül elviseli, akkor a gyártás során sem lesz nehézség. A próba érzékenyen jelzi az anyaghibákat, a zárványok jelenlétét, az edzési vagy megmunkálási repedéseket. Ha a technológia megköveteli, akkor a vizsgálatot dinamikusan is el kell végezni. Hajtogatóvizsgálat. Szabványos méretű huzalt vagy lemezcsíkot hajlítóhengerek közé fogunk és mindkét irányban -ig hajlítunk. A hajtogatást addig végezzük, amíg a próbatest eltörik. A törésig elviselt hajtogatások száma adja a vizsgálat mérőszámát. A hajtogatási szám függ a hajtogatóhengerek sugarától és a próbatest vastagságától, ezért célszerű a vizsgálatot a szabványos méretekkel végezni. 168

173 ANYAGVIZSGÁLAT Csavarópróba. Elsősorban a rugóacél huzalok hibáinak kimutatására használatos. A vizsgálandó huzal hosszát az átmérő egész számú többszörösére választjuk. A próbatest egyik végét rögzítjük, a másikat pedig csavarószerkezetbe fogva a törés megjelenéséig csavarjuk. A mérőszám a törésig elviselt teljes fordulatok száma. A vizsgálat igen alkalmas mind a huzalfelületen, mind a belsejében lévő hibák kimutatására. Duzzasztási próba. Célja az acélban előforduló vöröstörékenység kimutatása. A vöröstörékenység oka, hogy a szemcsehatárokon elhelyezkedő fázisok közül a Fe-FeS alacsony olvadáspontú eutektikum, vagy a kivált réz a melegalakítás hőmérsékletén megolvad, így törést okoz. A hengeres próbához rendszerint olyan méretet választunk, hogy a magasság az átmérő kétszerese legyen. A magasságot gépi kalapáccsal addig csökkentjük, amíg meg nem jelennek az első repedések a hengerpaláston. A mérőszám a repedés nélkül elviselt százalékos magasságcsökkenés értéke. A vizsgálat idején a hőmérséklet ne csökkenjen a megadott érték alá! Lyukasztási próba. A vörösizzás hőmérsékletén lévő lemezbe a szélétől változó távolságban egy lyukasztótüskével lyukakat ütünk, majd a lehűlt lemezt megvizsgálva megállapítjuk, hogy melyik az a szélhez legközelebbi lyukasztás, amelyik még nem okozott repedést. A lyukasztószerszám átmérőjét a lemez vastagságának 0,5...0,75-szeresére célszerű választani. Csővizsgálatok. A csöveket elsősorban belső nyomáspróbának vetjük alá. Ez a nyomás rendszerint nagyobb, mint amelyet üzemi körülmények között el kell viselnie. A csővégeket lezárjuk, a csövek belsejében víznyomást létesítünk, amit repedés és jelentős méretváltozás nélkül kell elviselniük. Ezzel ellentétes a lapítási próba, melynek során a cső belsejébe helyezett fémlemez eléréséig lapítjuk össze a csövet, s ezt a deformációt kell a csőnek repedés nélkül elviselnie. A mélyhúzhatóság vizsgálata. Olyan vékony lemezekhez alkalmazzuk, amelyekből mélyhúzással készítenek végterméket (pl. edények, dobozok). Az Erichsen-féle mélyhúzásvizsgálat elvét a 131 [169]. ábra szemlélteti. A lemezt húzógyűrűre rögzítjük, majd 20 mm átmérőjű, edzett golyót nyomunk a felületébe. A mérőszám az a távolság, amelyet a golyó kiindulási helyzetétől számítva megtesz anélkül, hogy a lemezen repedések jelennének meg ábra. Az Erichsen -féle mélyhúz ásvizsgál at vázlata 169

174 ANYAGVIZSGÁLAT Önthetőségi vizsgálat. Öntéskor a megolvadt fémet olyan tűzálló anyagból vagy fémből készült formába öntik, amelynek belső üreges része a készítendő öntvény formájának felel meg. Mindkét esetben igen fontos, hogy a folyékony fém a formát jól kitöltse, és a dermedés során lehetőleg kevéssé húzódjon össze, szilárd állapotban pedig kevéssé zsugorodjon. A vizsgálat céljára használatos kokilla amelyet tervezője után Courty-féle kokillának nevezünk előírt keresztmetszetű spirál. A formakitöltés mérőszámául azt a hosszúságot adják meg centiméterben, ameddig a fém a spirálban kifolyt. A vizsgálatot jelentősen befolyásolja az öntési hőmérséklet, a kokilla töltési hőmérséklete, továbbá az öntés magassága. Nyilvánvaló, hogy minél magasabbról végezzük a kokillába való öntést, annál nagyobb lesz az áramlási sebesség, tehát annál nagyobb lesz az az út, amelyet az olvadék a spirálban megtesz. A kokilla hőmérsékletének növelésével a spirál hosszúsága csak lassan nő. Igen nagymérvű az öntési hőmérséklet befolyása: minél nagyobb az öntési hőmérséklet, annál hosszabb a spirál. A nagyobb olvadáspontú ötvözetek formakitöltésének vizsgálatára homokba formázott spirált alkalmazunk Radiográfia Az anyagokban előforduló folytonossági hiányt röntgen- vagy radioaktív sugaras átvilágítással lehet kimutatni. Ezzel a módszerrel a hiba helyzete is jól meghatározható (132 [170]. ábra). A sugarak egy része anyagon való áthaladás során elnyelődik, mégpedig az törvényszerűség szerint, ahol az áthaladt sugárzás, intenzitása; a primer sugárzás intenzitása, az anyag vastagsága, pedig a lineáris abszorpciós együttható ábra. Anyaghi ba kimutatá sa röntgens ugárral 170

175 ANYAGVIZSGÁLAT Ha az anyagban valahol vastagságú üreg van, aminek következtében az átvilágított anyag vastagsága kisebb, az áthaladó sugár intenzitása nagyobb lesz, a minta alá helyezett fluoreszkálóernyőn világosabb folt jelentkezik. A kép rögzítésére a fényképezésben használt filmhez hasonló, a röntgensugárzásra érzékeny filmeket használunk. Az ernyőn képződött kép minősége a kontraszttól és az élességtől függ. A kontraszt mértékét főleg a röntgensugárzás hullámhossza, az átvilágított darab és környezetének szekunder sugárzása, valamint a fényérzékeny réteg tulajdonságai határozzák meg. A rövidebb hullámhosszúságú röntgensugárzás kevésbé nyelődik el, s így az anyaghibát is megbízhatóbban mutatja ki. A röntgenkép élességének javítására a filmet minél közelebb kell vinni a fókuszfolthoz, vagyis a vizsgált darabnak a folttal ellenkező felületéhez kell szorítani. A gyakorlatban minden egyes röntgenfelvétel minőségét huzalsorral ellenőrizzük, amelyet az átvilágítandó tárgynak röntgencső felőli oldalára helyezünk, és vele együtt veszünk fel. A huzalsor hét különböző, szabványos vastagságú huzalból áll, amelyek gumilemezbe vannak ágyazva. A huzalok anyaga az átvilágítandó minta anyagához igazodik, pl. könnyűfémhez alumíniumhuzal, öntöttvashoz acélhuzal. A legvékonyabb, a felvételen nyomot hagyó huzal átmérője a még biztosan kimutatható hiba nagyságát jellemzi. Röntgen helyett radioaktív izotópok is használhatók sugárforrásnak. Ebben az esetben jóval kisebb a sugárzás hullámhossza és intenzitása. Ilyen források általában kobalt 60, cézium 137, iridium 192 izotópok. Az izotópos vizsgálat előnye, hogy nem kell hozzá villamos áram, és maga a berendezés is egyszerűbb, kisebb méretű. Ennél a módszernél az izotópokkal való bánásmód biztonsági előírásainak betartására kell ügyelni Anyagvizsgálat ultrahanggal Kísérletileg kimutatható, hogy az acélban előforduló, mm vastagságú levegőréteg (pl. lunker) az ultrahang 100%-át, a mm-es légréteg pedig a besugárzott energia 80%-át vissza veri. 171