Anyagismeret 1. Metallográfiai alapfogalmak
Az anyagok szerkezete Halmazállapotok A rendszereknek három alapvető halmazállapotuk van, amelyek az állapotjelzők függvényében külön-külön, vagy egyidőben is létezhetnek: Légnemű (gáz) halmazállapot. A rendszerben az alkotók rendezetlenűl és egymástól nagy távolságokra helyezkednek el. Az alkotók térfogatának összege elhanyagolható a rendszer térfogatához képest (majdnem korlátlanul összenyomhatók). Folyékony (folyadék) halmazállapot. Az alkotók között rövidtávú rend uralkodik, az alkotók térfogatának összege megegyezik a rendszer térfogatával (összenyomhatatlanok). Szilárd (kristályos) halmazállapot. Az alkotók között hosszútávú rend uralkodik, és a folyadékhoz hasonlóan szintén össze-nyomhatatlanok. Fontos területüket képviselik a fémek.
A szilárd anyagok KRISTÁLYOS AMORF Az alkotórészecskék szabályos térbeli elrendeződésűek. Emiatt éles az olvadáspont. Keménységük, a kristály alakja a rácsszerkezettől függ. Szabálytalan térbeli elrendeződésűek. Emiatt nincs éles olvadáspont (melegítéskor fokozatosan megpuhul). Gumiszerű anyagok.
Kristályrács típusai Ionrács Atomrács Fémrács Molekularács Részecskék a rácspontokban: ellentétes töltésű ionok atomtörzsek atomtörzsek molekulák Rácsösszetartó erő: elektrosztatikus vonzóerő kovalens kötés delokalizált elektronok másodrendű kötőerők Olvadáspont: Forráspont: magas (a nagy rácsenergia miatt) magas ( erős kovalens kötések miatt) változó (változó erősségű fémes kötés miatt) általában alacsony (gyenge másodrendű kötések miatt) Standard halmazállapot: szilárd szilárd szilárd (a higany kivételével) gáz, folyadék, szilárd (a molekula méretétől és a másodrendű kötés típusától függően) Keménység: viszonylag nagy nagy változó kicsi Vezetőképesség: - szilárd: szigetelő - olvadék: vezet - vizes oldat: vezet - szigetelő vagy - félvezető jó vezető szigetelő (a vízben elektrolitosan disszociáló anyagok oldata vezető)
Kristályrács típusai Ionrács Atomrács Fémrács Molekularács Vezetőképesség: Oldhatóság: Olvadáspont függése: Példák az elemek közül: Példák a vegyületek közül: - szilárd: szigetelő - olvadék: vezet - vizes oldat: vezet vízben általában jó NINCS kis EN-ú fémek és a nagy EN-ú nem fémek vegyületei - szigetelő vagy - félvezető - a részecskék méretétől és a rácsszerkezettől - hasonló rácsszerkezet esetén a méret növekedésével általában csökken B, C, Si, Ge B 2 O 3, SiO 2 egyes fémszulfidok jó vezető (egymásban; egyesek cseppfolyós NH 3 -ban) kis EN-ú elemek néhány szulfid (pl. CuFeS 2 ) szigetelő (a vízben elektrolitosan disszociáló anyagok oldata vezető) - polaritástól - mérettől polaritástól függ a nagy EN-ú elemek a p-mezőből nemfémes vegyületek, szerves vegyületek, sok p- és d-mezőbeli fémhalogenid
Rácsot összetartó erők A kristályokat úgynevezett rácserők, vonzóerők tartják össze, amelyek különböző típusúak lehetnek. Azon kívül, hogy megakadályozzák annak szétesését, jellegük és nagyságuk alapvetően meghatározzák a kristály több tulajdonságát (hőtágulás, fajhő stb.) is. A vonzóerők mellett fellépnek taszítóerők is. Amennyiben az atomokat közelítjük egymáshoz, az elektronhéjak elkezdenek egymásba préselődni. Mivel azok betöltöttek, a Pauli elv értelmében több elektron számára nincs hely, ami egy erős taszító kölcsönhatásban nyilvánul meg. A taszító potenciál az atomok közötti d távolság (rácstávolság) függvénye.
Rácsot összetartó erők A legegyszerűbb kristályok zárt elektronhéjjal rendelkező anyagok (nemesgázok). A pozitív töltésű atommag és a negatív töltésű zárt elektronhéj tömegközéppontja egy pontba esik, így az atom kifelé elektromosan semleges. Valójában a rezgőmozgás következtében a szimmetrikus elektronhéjak torzulnak, dipólusok keletkeznek, melyek már elektrosztatikusan kölcsönhatásban vannak egymással. Ezek, az un. van der Waals erők, igen kicsinyek, melynek következtében a nemesgáz kristályok olvadáspontja alacsony (jóval kisebb a szobahőmérsékletnél).
Rácsot összetartó erők Ionos kristályok pozitív és negatív ionokból állnak. Akkor alakulnak ki, ha az egyik anyagnál csak egy két, un. vegyértékelektron van, (pl. Na) míg a másiknál ugyan-annyi hiányzik (pl. klór). A kötési energia az ionok közötti elektrosztatikus kölcsönhatásból ered. A W potenciálfüggvény a d rácstávolság függvényében egy minimumgörbét ad. Az ionos kötés közepes erősségű kötés, így ezeknek a kristályok olvadáspontja szobahőmérsékleten, vagy közvetlen felette van. W W(d) W vonzó W taszító d távolság W kötési Egyensúlyi helyzet
Rácsot összetartó erők A kovalens kristályokra az egyik legjellemzőbb példa a gyémánt Ennél a kötésnél az atomok úgy törekednek zárt elektronhéjra, hogy kölcsönösen használják a szomszédok elektronjait is, a gyémántban a szén négy elektronja a négy szomszédos szénatom egy-egy elektronjával alkot zárt elektronhéjat. A kovalens kötés igen erős, ezért ezeknek a kristályoknak az olvadáspontja jelentősen meghaladja a szobahőmérsékletet. A kovalens kötés értelmezésére a kicserélődési energia szolgál.
Rácsot összetartó erők Fémeknél a vegyértékelektronok leszakadnak az ionokról (pl. nátrium) és kollektívvá válnak, úgynevezett elektron-gázt alkotva Mivel ebben az esetben minden elektron minden atomhoz és fordítva tartozik, ezért az elektrongáz úgy fogható fel, mint egy kiterjedt kovalens kötés és így a kötési energia a kicserélődési energia lesz.
A fémek szerkezete Szilárd állapotban minden fém kristályokból épül fel. A fémkristályok több atomból (ionból) állnak, amelyek szabályos idomokat alkotnak. Ezeket az idomokat rács elemnek vagy elemi cellának nevezzük. A szabályosan ismétlődő rácselemekből álló szerkezet a rácsszerkezet. Elemi cella A kristályrács legkisebb jellemző része, amelyet a tér három irányába eltolva megkapjuk az egész rácsot. A kristályrácsot a fémes kötés tartja össze, a szabad elektronok körülveszik a fémionokat, ún. elektronfelhőt képeznek. A szabad elektronok áramlásával magyarázzuk a fémek jó elektromos- és hővezető képességét
A legfontosabb elemi cellák elemi cellák: a térközepes köbös (a), a lapközepes köbös (b) és a hexagonális (c).
A legfontosabb elemi cellák Térk rközepes köbös rács Li, Na, K, V, Cr, W, Fe (δ-fe Fe) Fe (α-fe Fe)
A legfontosabb elemi cellák Lapközepes köbös rács Al, Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Ir, Pt Fe (γ-fe Fe)
A legfontosabb elemi cellák Hexagonális rácsszerkezet Egyszerű: grafit Szoros illeszkedésű: Be, Zn, Mg, Cd
A színfémek olvadása és dermedése Ha a fémet melegítjük, azaz hőt közlünk vele, a fémionok egyre gyorsabb rezgőmozgást végeznek. A rácsszerkezet kötőerőit legyőzve a kristályos szerkezet felbomlik, a fém megolvad, folyékonnyá válik. Dermedéskor ezzel ellentétes folyamat játszódik le. Az olvadékot hűtve az atomok mozgása lelassul. A rácsszerkezet kötőerői ismét hatni kezdenek és a folyadékban kristálycsírák vagy kristályosodási középpontok keletkeznek.
A színfémek olvadása és dermedése Amikor a fémolvadék kezd megszilárdulni, a kristálycsírák növekedés közben akadályozzák egymást. Az egymással összenőtt kristályok határlapjai szabálytalan sokszöget alkotnak, rácsrendezetlenség alakul ki. Ezeket a kristályokat krisztallitoknak nevezzük. A krisztallitok nagysága néhány ezred millimétertől tized milliméter nagyságrendig terjed. (kristályosodási képesség) Ha a fémolvadékot gyorsan hűtjük, kis méretű szemcsék keletkeznek, mert a kristályosodási folyamat gyorsan játszódik le. Lassú lehűléskor nagy, durva szemcsék alakulnak ki, mert a kristálycsíráknak van idejük megnőni. (kristályosodási sebesség)
Kristályhibák Pontszerű rácshibák
Kristályhibák Üres rácshelyek, vakanciák a hibahelyek folyamatosan vándorolhatnak a kristályban, megszűnhetnek, újra Keletkezhetnek Térfogatnövekedés Diffúzió
Kristályhibák Idegen atom a rácsban
Kristályhibák Szilárd oldat Szilárd oldatról akkor beszélünk, amikor a másfajta (ötvöző, vagy szennyező) atomok egyenként épülnek be a rácsatomok (mátrix) helyére (a) (helyettesítéses szilárd oldat), illetve közéjük (b) (beékelődéses szilárd oldat). A szilárd oldat termodinamikailag hasonlóképpen viselkedik, mint a ponthibák. Ezért az ötvözőknek is van egyensúlyi oldékonyságuk, hasonlóképpen, mint a ponthibáknak. (a) (b)
Kristályhibák Éldiszlokáció A pontszerű hibákon túl a szabályos rendet vonalszerű hibák is akadályozhatják. Ezeket diszlokációnak nevezzük. Két legjellegzetesebb képviselőjük az él- és a csavardiszlokáció. Kialakulásuk egyik oka a nem tökéletes, nem egyensúlyi kristálynövekedés. Gyors lehűtés, nagy szemcsenövekedési sebesség esetén sok diszlokáció keletkezik. Csavardiszlokáció
Kristályhibák
Kristályhibák A diszlokáció-sűrűség hatása a szilárdságra
Irodalom..Szemelv..Szemelvények Szentgyörgyiné Gyöngyösi Éva Bencsik Ferenc Pál : Villamos anyagismeret és technológia Csizmadia Ferencné: Anyagismeret Ginsztler Hidasi Dévényi: Alkalmazott anyagtudomány (Nemzeti tankönyvkiadó) (SzIF-Universitas Kft.) (Műegyetemi Kiadó)