Anyagtudomány 2015/16 Kristályok, rácshibák, ötvözetek, termikus viselkedés (ismétlés) Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu Az atomok elrendeződése Hosszú távú rend (kristályok) Az atomok elhelyezkedését jól definiált transzlációval írhatjuk le Kristályok 1
Transzláció Transzláció: Kristályrács r ma 1 na2 pa3 Primitív cella: a bázisvektorok által kifeszített térfogatelem. Csak a sarkain tartalmaz atomot, összesen egy atom található benne. Összetett rács: egyszerűbb geometriai leírás, de több atomot is tartalmaz. Az összes rács besorolható a hét primitív rácstípus egyikébe. Köbös Tetragonális e.k, t.k.k, f.k.k Bravais-rácsok Ortorombos Hexagonális Romboéderes Monoklin Triklin P - Primitive (egyszerű) I - Body P-primitive centered (térben középpontos) I-body centered F - Face centered (felületen középpontos) F-face centered C - Side C-side centered centered (alaplapon középpontos) 2
Egyszerű és összetett rács: FKK mint romboéderes Miller-indexek Pontok Irányok Síkok Reális kristályok Gyakorlati fémek szilárdsága kevesebb, mint 1 %-a az ideális modell alapján számítható szilárdságnak Tiszta Si villamos vezetőképességét 10-8 tömegszázalék bór adalékolása a kétszeresére növeli KRISTÁLYHIBÁK 3
Kristályhiba-típusok Ponthibák (0 dim.) Vonalszerű hibák (1 dim.) Felületszerű hibák (2 dim.) Térfogati hibák (3 dim.) Vakancia Szubsztitúciós atom 4
Intersztíciós atom Ponthibák ötvözetekben Vonalszerű (1 dimenziós) rácshibák Fémek elméleti és mért folyáshatára között óriási eltérés, nem magyarázható mérési hibával Diszlokációelmélet: az alakváltozás nem egy lépésben történik diszlokációk mozgása 5
Diszlokációk Frenkel elméleti folyáshatár számítása Számolt/mért folyáshatár: Fe: 440, Al: 423, Cu: 769 Diszlokációk mozgása Diszlokációk Tűkristály (whisker, 1950) kondenzátor Zn, d = 0,1-0,001 m 1934: Francis Taylor, Orován Emil, Polányi Mihály 1960: TEM Diszlokáció: az elcsúszott és nem elcsúszott tartományok határolóvonala. Éldiszlokáció, csavardiszlokáció, vegyes diszlokáció. 6
Éldiszlokáció Diszlokáció vonala: l Csúszósík adott nem mozgékony Extra sík Burgers vektor: b b l Csavardiszlokáció Diszlokáció vonala: l Nincs egyértelmű csúszósík mozgékony Extra sík nincs! Burgers vektor: b b II l Vegyes diszlokáció Részleges elcsúszás Térgörbe hálózat 0-90 7
Diszlokációsűrűség változása képlékeny alakváltozás során Definíciók Lágyított: 10 6-10 7 cm -2 Alakított: 10 12-10 14 cm -2 Frank-Read forrás működése Frank-Read forrás TEM képe 8
Felületszerű rácshibák Makroszkópikus felület Kisszögű szemcsehatár Nagyszögű szemcsehatár Fázishatár Koherens fázishatár Ikerhatár Rétegződési hiba Makroszkópikus felület A kristály felületén az atomok magasabb energiaállapotban vannak, mint a kristály belsejében, mivel nem jön létre minden irányban atomi kötés. A felület energiaszintje csökken, ha a felülethez újabb atomok kapcsolódnak. Oxidrétegek kialakulása. Kémiai reakciók. Kisszögű határ Azonos előjelű diszlokációk egymás alá rendeződése <5º 9
Nagyszögű szemcsehatár A dermedés során véletlen orientációjú kristálycsírák összenőnek. Az egyes szemcsék csak orientációjukban különböznek. Kis- és nagyszögű határ összehasonlítása Fázishatárok 10
Koherens fázishatár A határ két oldalán azonos atomok vannak Mindkét fázisban lehet találni olyan síkot, ahol az atomos elrendeződés megegyezik A fázishatáron a két fázis kristálytani elrendeződéséből következik (tehát adott) az orientáció-különbség Ikerhatár Ikerhatár Koherens határ, mindkét oldalon azonos fázis van A határ két oldala egymás tükörképe Keletkezhet kristályosodáskor és képlékeny alakváltozáskor elsősorban az FKK és HCP kristályokban 11
Ikerhatár Mikroszkópi csiszolatokon párhuzamos egyenesekként jelenik meg Térfogati (3 dim.) hibák Üregek Zárványok Kiválások Gázbuborékok Üregek 12
Ötvözetek Ötvözés célja: olyan meghatározott fizikai, kémiai, mechanikai vagy egyéb tulajdonságok biztosítása, amely egykomponensű anyagokkal nem érhető el Fémes ötvözetek: alkotói (de legalább az egyik) fém Ötvözetek Alumínium: jó vezető, de lágy Aranygyűrű: ezüsttel, rézzel ötvözik Negatív-pozitív TK (Cu-Ni) Szilícium: elektromos tulajdonságai tág határok között változnak már minimális ötvözés hatására is Ötvözeteket alkotó alapanyagok a komponensek Ötvözetek előállítása olvadékállapotban Olvadék-állapotban a legtöbb fém korlátlanul oldja egymást Kivétel: pl. Al-Pb Akadály: ha az alkotók olvadáspontja jelentősen eltér, pl. Fe (1536ºC) és W (3410ºC) 13
Ötvözetek előállítása porkohászati úton Magas olvadáspontú alkotók esetén (pl. WC, TiC, NbC, stb.) Poruk keverékéből sajtolással állítják elő az alkatrészt, majd nagy, de az alkotók olvadáspontjánál alacsonyabb hőmérsékleten izzítják szinterezés (porszemcsék közötti diffúziós folyamatok) HIP Hot Isostatic Pressure Szinterelés Probléma: zsugorodás, porozitás Kétalkotós állapotábrák Állapotábra: a koncentráció és a hőmérséklet függvényében mutatja meg az ötvözetegyensúlyi fázisait. A gyakorlatban: 2 és 3 alkotós állapotábrák. Lehetséges kétalkotós állapotábrák száma n n! n n 1 N 2 n 2!2! 2 n=90 alkotó esetén N=4005, és n=50 esetén is 1225 állapotábra lehetséges. 42 14
B (1250,35) 2016.02.22. Állapotábra korlátlan oldhatósággal folyékony és szilárd állapotban T Fázisok: folyadék, szilárd folyadék F+SZ=K+1 y b szolidusz a likvidusz x szilárd A C sz C ö x a y b x y 1 Emelőkar szabály C f B t x-folyadék mennyisége, egységnyi tömegű anyagban y=1-x- szilárd fázis mennyisége az egységnyi tömegű anyagban 43 Állapotábra használata 1. Ha adott a hőmérséklet (T) és a koncentráció (C), meghatározható a fázisok száma és minősége. Példák: A(1100,60): 1 fázis: a B(1250,35): 2 fázis: f + a T( C) 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 0 Cu f (folyadék) a (f.k.k szilárd oldat) A(1100,60) 20 40 60 80 100 tömeg % Ni 44 Állapotábra használata 2. Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentrációjánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok koncentrációja. C o = 35% Ni T A - nál csak folyékony oldat C f =C o =35%Ni T D -nél csak a szilárd oldat C a =C o =35% Ni T B -nél két fázis (a+f) C f =C likvidusz =32% Ni C a =C szolidusz =43%Ni Cu-Ni rendszer T( C) A T A karok 1300 f (folyadék) B T B a 1200 D T D 20 30 3235 40 43 C 50 f Co C a tömeg % Ni 45 15
perlit ledeburit cementit 2016.02.22. Állapotábra használata 3. Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentrációjánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok mennyisége C o = 35% Ni T A nál csak folyadék Cu-Ni rendszer T( C) 100 % folyadék, 0% a T A A karok T D -nél csak a szilárd oldat 1300 f (folyadék) 100 % a, 0% folyadék B T B T B -nél két fázis a+folyadék a b a b 43 35 1200 D x foly. 73% T D a b 43 32 20 32 35 43 a 35 32 30 c f co 40 c 50 y a 27% a a b 43 32 tömeg % Ni 46 0 H 1538 A delta ferrit 1394 δ N Fe-C ikerdiagram I 0,5 0,16 0,1 B 1493 atom % C folyadék 25 D 1252 912 M 769 G P ausztenit O γ S E 1147 727 C F K ferrit a 47 Q 0 0,8 Fe 0,02 2,1 tömeg % C 4,3 L 6,7 Fe 3 C 0 tömeg % Fe 3 C 100 Fázisok a metastabil rendszerben 2. f a a f + c f + c f + + c a + + c c - ausztenit a - ferrit a c f - folyadék c - cementit 48 Fe Fe 3 C 16
49 Szövetelemek a metastabil rendszerben Homogén szövetelemek delta ferrit d (szilárd oldat) ausztenit (szilárd oldat) ferrit a (szilárd oldat) primer (I.) cementit Fe 3 C (folyadékból válik ki) szekunder (II.) cementit Fe 3 C (ausztenitből válik ki) tercier (III.) cementit Fe 3 C (ferritből válik ki) Heterogén szövetelemek ledeburit (eutektikum) telített folyadékból alakul ki perlit (eutektoid) telített ausztenitből alakul ki 17