HŐKEZELÉS 2016/2017 ősz BMEGEMTAGM3 Dr. Fá Fábiá bián Enikő Enikő Réka fabianr@eik.bme.hu fabianr@eik.bme.hu Mechanikai tulajdonságok hőkezelés után- jegyzőkönyv Fénymikroszkópos labor jegyzőkönyv Felületi és teljes átmérőjű hőkezelések hatása Zh 1 beugró vas-karbon egyensúlyi állapotábra (stabil és metastabil átalakulások szerint a hőmérsékletekkel, szövetszerkezeti elemekkel) Zh 2 beugró Izotermikus átalakulási diagramok illetve folyamatos átalakulási diagramok hipoeutektoidos, eutektoidos és hipereutektoidos acéloknál.
Hőkezelés A hőkezelés egy termikus ciklus, mely elsősorban a fémes anyagok feldolgozásához kapcsolódik. A fémekre jellemző hőkezelések már előzetesen megmunkált szilárd anyagon és mindvégig szilárd halmazállapotban végzendők el, tulajdonság-módosítás érdekében. HŐKEZELÉS Hőkezelés: olyan műveletek sorozata, amelyek során a szilárd fémes ötvözet teljes egészében vagy részlegesen olyan termikus folyamat hatásának van kitéve, amelynek hatására létrejön a tulajdonságaiban és/vagy szerkezetében a szükséges változás. Az adott kezelendő termék vegyi összetétele ezen műveletek során esetleg megváltozhat ez a termokémiai hőkezelés
Hőkezelés Metastabil rendszer Szövetelemek előfordulási tartományai
Kristályos anyagok (ismétlés) A kristályos szilárd anyagok jellemzői -hosszútávú atomos rendezettség - szabályos térbeli ismétlődés Kristálytani alapfogalmak - térrács - rácspontok, a térrács kitüntetett pontjai - elemi cella Bravaisrácsok
Bravais- rácsok Kristálytani adatok - koordinációs szám - atomok száma az elemi cellában - atomátmérő (rácsállandó) - térkitöltési tényező - legnagyobb rácshézag (nagyság, hely) - legszorosabb illeszkedésű irány, sík - síkbeli kitöltési tényező - iránymenti kitöltési tényező -Tisza Miklós Az anyagtudomány alapjai ;2010 Miskolci egyetemi kiadó -https://abmpk.files.wordpress.com/2014/02/book_maretial-science-callister.pdf 10
Köbös rendszer (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 11 Primitív köbös (ionrácsok, pl.: NaCl) Rácstípus Fémek Koord. szám Atomátmérő Atomok száma PK Po 6 a 1 Térkitöltés Legnagyobb Legszorosabb üres illeszkedések rácshely 0,52 0,73 a {100} középen <100> 12
Térben középpontos köbös Rácstípus Fémek Koord. szám Atomátmérő Atomok száma TKK Na, K, Cr, Mo, W, βti, αfe 8 3 a 2 2 Térkitöltés Legnagyobb Legszorosabb üres illeszkedések rácshely 0,68 0,252 a {110} ½¼0 <111> Kismértékű alakíthatóság, oxidációs hajlam, gyenge vezetőképesség, rideg-képlékeny átmenet (αfe = ferrit) 13 Felületen középpontos köbös Rácstípus Fémek Koord. szám Atomátmérő Atomok száma FKK Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Pt, γfe Al 12 2 a 2 4 Térkitöltés Legnagyobb Legszorosabb üres illeszkedések rácshely 0,74 0,293 a {111} Maximális! ½00 <110> ½½½ Jól alakítható, kémiailag stabil, jó hő- és elektromos vezető 14
A hexagonális kristályrendszer Ez a kristályrendszer is leírható a három koordinátás rendszerben: ez azonban nem tükrözi megfelelően a kristályszimmetriát. A hatszöges kristályrendszer szimmetriáját jobban tükrözi az ún. hexagonális reprezentáció A három koordinátás reprezentáció A hexagonális reprezentáció Szorosan pakolt hexagonális rács Rácstípus Fémek Koord. szám Atomátmérő Atomok száma HCP Be, Mg, Zn, Cd, αti 12 c/a=1,63 6 Térkitöltés Legnagyobb Legszorosabb üres illeszkedések rácshely 0,74 0,235 a {0001} Maximális! <1120> 16
HEX csatornák 17 Fémes ötvözetek alkotói A fémes ötvözet egyik alkotója, az ún. alapötvöző mindig fémes elem (pl. Fe, Cr, V, Mo, W) a másik alkotó lehet fém (pl.cr, V, Mo, W) fémtermészetű elem, metalloid (C, Si, Sb) nem-fémes elem (S, P) gáz (N2)
Az alkotóelemek kapcsolata az ötvözetekben Szilárd oldat, ha az alkotók szilárd állapotban is oldják egymást Fémes vegyület, ha az alkotók kémiai reakcióba lépnek egymással Eutektikum (eutektoid), ha az alkotók sem szilárdoldatot, sem fémes vegyületet nem képeznek Szilárd oldatok Szilárd oldat: Olyan ötvözet, amelyben az ötvöző atomok beépülnek az alapfém rácsába, és az így létrejött szerkezet kristályrácsa az oldó anyagéval azonos. az alkotók homogén fázist képeznek, mikroszkópi képen nem megkülönböztethetők Típusai szubsztitúciós szilárd oldat interstíciós szilárd oldat
Szubsztitúciós szilárd oldatok Az oldott anyag atomjai az oldó atomokat rácspontokban helyettesítik feltételei az oldó és az oldott anyag atomjainak mérete közel azonos legyen hasonló elektronszerkezet Szubsztitúciós szilárd oldatok Az oldó és oldott atomok statisztikusan rendezetlenül helyezkednek el korlátlan szilárd oldatot képeznek : a korlátlan szilárd oldat keletkezésének feltételei azonos kristályszerkezet (roldó roldott)< 15 % azonos vegyérték-elektronszám Rendezett rácsú szilárd oldatot alkotnak
Szubsztitúciós szilárd oldatok Korlátlan szilárd oldat Szubsztitúciós szilárd oldatok Rendezett rácsú szilárd oldat
Intersztíciós szilárd oldatok az oldott anyag atomjai nem rácspontban, hanem a rács hézagaiban helyezkednek el ezért az oldó fémhez viszonyítva csak kis atomátmérőjű elemek képezhetnek interstíciós szilárd oldatot, azaz az r oldott << r oldó feltételnek teljesülni kell (vasötvözetekben jellemző a H, O, N, B, C, mint interstíciós szilárd oldatos ötvöző) Intersztíciós szilárd oldatok
Fémes vegyületek Jellemzői alkotóelemei között a kémiai vegyérték-törvény érvényesül (sztöchiometriai arány fennáll) egyetlen, az alkotók mindegyikétől különböző fémes rács jellemzi (homogén, egyfázisú) típusai ion-vegyületek elektron-vegyületek intersztíciós- vegyületek Ion vegyületek erős fémtermészetű elemek (Na, K, Ca) alkotják nemfémes elemekkel (Cl, F) közöttük ionos kötés érvényesül
Elektronvegyületek Nagyobb olvadáspontú fémek (Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni) olyan homogén, egyetlen kristályráccsal rendelkező vegyületeket képeznek kisebb olvadáspontú fémekkel (Cd, Al, Sn Zn, Be), amelyeknél a kötésben részt vevő elemek atomjainak és vegyértékelektronjainak aránya egyszerű egész számokkal kifejezhető (A/ne). Az elektronvegyületeket a görög abc betűivel jelölik: β : (CuZn) A/ne=2/3, : (CuZn3) A/ne=4/7, ε: (Cu5Zn8 ) A/ne=13/21, Intersztíciós fémes vegyületek -nagy olvadáspontú fémek (Fe, Cr) alkotják kis atomsugarú metalloidokkal (N, C). rmet/r fém=0,55...0,66 egyetlen kristályrács, homogén fázis jellemzi az alkotók aránya egyszerű Mex Ny aránnyal fejezhető ki jellemző a nagy keménység és kopásállóság. - vannak elemek (pl. a Fe és a C), intersztíciós szilárd oldatot is és intersztíciós fémes vegyületet is alkot (Fe3C).
Eutektikum, eutektoid Ha az alkotók egymással sem szilárd oldatot, sem fémes vegyületet nem alkotnak, akkor az ilyen ötvözet a két alkotó kristályainak az elegyévé dermed. Folyadékból megdermedt heterogén szerkezet neve eutektikum, míg a szilárd állapotban keletkező hasonló szerkezet neve eutektoid. Heterogén kétfázisú szerkezetet alkotnak. Hasonlóan a színfémekhez, állandó hőmérsékleten dermednek meg. A kristályosodástól függően lemezes, vagy szemcsés szerkezetűek lehetnek. Fe-C eutektoid Pb-Sn eutektikum Eutektikum, eutektoid tulajdonságai ha a mátrix (a beágyazó) alakítható, az eutektikum is lehet alakítható ha a beágyazó rideg, az eutektikum sem alakítható lágy, alakítható mátrix esetén az alakíthatóságot befolyásolja a rideg (beágyazott) fázis mérete, alakja mennyisége és eloszlása
Reális kristályok, kristályhibák 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 33 Kristályhiba-típusok Ponthibák (0 dimenziós) Vonalszerű hibák, 1 dimenziós: diszlokációk Felületszerű hibák (2 dimenziós) Térfogati hibák (3 dimenziós) 34
Ponthibák Termikusan aktivált hibák: Vakancia (üres rácshely) Saját interszíciós atomok Idegen atomok (intersztíciós, szubsztitúciós helyeken) Ponthiba komplexek (di-, tri-vakancia, idegen atomvakancia...) 35 Vakancia (üres rácshely) 36
Szubsztitúciós (helyettesítéses) atom 37 Intersztíciós (beékelődéses) atom 38
Ponthiba képződési mechanizmusok Frenkel-mechanizmus Frenkel hibapár: vakancia és intersztíciós atom együttese 39 Ponthiba képződési mechanizmusok Wagner-Schottky mechanizmus felületi üres hely vándorlása a szilárdtest belsejébe 40
Termikus ponthibák egyensúlyi koncentrációja Eakt kt n = N e R k= = 1,38 10 23 J / K NA E Vakancia = 1 2eV Rácstorzulás aktiválási energia E Saját int ersticiós = 4 6eV T = 300K (1eV,5eV) NV 1067 N SI 41 Ponthibák keletkezése képlékeny alakváltozás nem egyensúlyi hűtés részecske besugárzás (gyors neutron hibakaszkád) Termikus ponthibák eltűnése diffúziós mozgás szemcsehatár éldiszlokáció extrasík (kúszás) 42
Diszlokációk Definíció:Diszlokáció: a kristályban az elcsúszott és az el nem csúszott tartományok határoló vonala Éldiszlokáció Csavardiszlokáció Vegyes diszlokáció Teljes (perfekt) diszlokáció Parciális diszlokáció Tűkristály (whisker, 1950) kondenzátor Zn, d = 0,1-0,001 µm 1934: Fransis Taylor, Orován Emil, Polányi Mihály 1960: Átvilágító elektronmikroszkópia (TEM) 43 Burgers-kör 44
Éldiszlokáció Diszlokáció vonala: l Csúszósík adott nem mozgékony Extra sík Burgers vektor: b b l 45 Csavardiszlokáció Diszlokáció vonala: l Nincs egyértelmű csúszósík mozgékony Extrasík sincsen! Burgers vektor: b b II l 46
Diszlokációk alapvető tulajdonságai Diszlokáció: elcsúszott és nem elcsúszott részek határa Lineáris (lehet görbült is) Felületen kezdődik és végződik, kristályban záródó görbe Az elmozdulás mértéke a diszlokáció egésze mentén állandó Burgers vektor a legsűrűbb irányban fekszik és b = d 47 Diszlokációk energiája Feszültség (nyomó, húzó) Energiatöbblet Wcs = Gb 2l Gb 2l Wél = 1 Poisson szám (0,5-0,2): merőerőleges = párhuzamos = E = G E = 2G (1 + ) 48
Diszlokációsűrűség Képlékeny alakváltozás Lágyított: ρ=1010-1011 m-2 b) a) Alakított: ρ= 1014-1016 m-2 c) d) a) Meleg szalag,n=20 000x b) Meleg szalag (λt=0), N= 30 000x c) Hidegen hengerelt, λt=0,498, N=120 000x d) Hidegen hengerelt,λt=0,967, N=150 000x 49 Diszlokációk mozgásának szabályai Diszlokáció csak abban a síkban tud csúszni amelyben a vonala és a Burgers vektora fekszik. Éldiszlokáció: 1 sík Csavardiszlokáció: sík (elméletileg) Diszlokáció mozgása mindig a legsűrűbb síkban és a legsűrűbb irányban történik. Csúszási rendszerek Csúszósík váltás Csavar keresztcsúszás Él mászás kúszás (tartós folyás, creep) üregek a szemcsehatáron 50
Felületszerű hibák (2D) Makrofelület Szemcsehatár (nagyszögű, kisszögű) Fázishatár (inkoherens, szemikoherens, koherens) Ikersík Rétegződési hiba 51 Szemcsehatár Nagyszögű Kisszögű (θ = 1-5 ) Θ tgθ = b D 52
Fázis Fizika: szilárd - folyékony - gáz plazma halmazállapot Fémtan: A rendszer határfelülettel elválasztott része, amelyen belül az összetétel és a tulajdonságok lényegében homogénnek tekinthetők. Egy adott fázis belsejében a koncentráció és a tulajdonságok folyamatosan változó (deriválható) függvénnyel leírhatóak kell legyenek. Ugrás csak a fázishatáron lehet. 53 Fázishatár Inkoherens Szemikoherens Koherens 54
Fázishatár Szemikoherens Koherens (Heteroepitaxia) 55 Fázishatár 56
Ikerhatár FKK ABCABCBACBA Párhuzamos vonalak a mikroszkópi képen. 57 Rétegződési hiba ABCABCABCABC C sík egy felülete hiányzik! FKK - Hexagonális - FKK Zárt görbe 58
Állapotábrák felvétele és termodinamikai alapjai Kristályosodás folyékony halmazállapotból szilárd (kristályos) halmazállapotba történő fázisátalakulás a termodinamika törvényei alapján Termodinamikai rendszer a tér egy körülhatárolt része (pl. olvasztó üst) a rendszer alkotói komponensek (K) színfém esetén K=1 Fázis (F) elhatárolható rész azonos kémiai és fizikai jellemzőkkel homogén rendszer (F=1), heterogén rendszer (F>1) Állapottényezők hőmérséklet (T) nyomás (p) térfogat (V) koncentráció (ha K>1) Szabadságfok (Sz) a rendszer egyensúlyát nem befolyásoló állapottényezők száma Gibbs-féle fázisszabály (változatlan térfogat esetén) F + Sz = K + 2 metallográfiai rendszereknél általában p = állandó, így F + Sz = K + 1 Állapotábrák felvétele és termodinamikai alapjai Fázisátalakulások elemzése termodinamika II. főtétele alapján (a természetben lejátszódó spontán folyamatok iránya a kisebb energiaszint felé mutat) G = H T.S itt G a rendszer Gibbs-féle szabadenergiája, H az állandó nyomáson vett hőenergia (ez az entalpia) T a hőmérséklet (Kelvin skálán) S az entrópia (a rendszer kötött, belső energiája, ds= dq/t, vagy S=k.lnw) Állandó hőmérsékleten lejátszódó változásnál (dt=0) dg = dh T.dS Azaz a rendszerbe a változás érdekében bevitt hőenergia (p=állandó) egy része az anyagban felhalmozódik (T.dS), a szabad entalpia változás (dg) adja a folyamat hajtóerejét. A rendszer stabil, ha dg = 0, változás csak akkor ha, dg < 0
Termodinamikai háttér Termodinamikai egyensúlyban a rendszer Helmholtz- féle szabadenergiájának minimuma van. F=U-TS (G = U + pv - TS = H - TS) F: a rendszer szabadenergiája (Helmhotz) U: rendszer belső energiája (du = dq + dw I. főtétel) T: hőmérséklet [K] S: a rendszer entrópiája (G: Gibbs-féle szabadenergia, szabad entalpia) (H: entalpia) Tiszta fém kristályosodása
A vas allotróp átalakulásai ferrit - ausztenit tkk fkk (911 C, 1,04 %) 63