Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba FBN332E-1 Dr. Geretovszky Zsolt 2010. október 6. Anyagcsaládok Fémek Kerámiák, üvegek Műanyagok Kompozitok A családok közti különbségek tárgyalhatóak: atomi szinten (10-9 m) mikroszkópikus szinten (10-6 m) makroszkópikus szinten (10-3 m)
Kötéstípusok Elsőrendű, vagy kémiai kötések Ionos (600-1500 kj/mol) Kovalens (300-730 kj/mol) Fémes (68-850 kj/mol) Másodrendű, vagy van der Waals kötések Hidrogénhídkötés (30-51 kj/mol) Dipól kölcsönhatás (5-30 kj/mol) Ionos kötés Nemesgáz szerkezetre törekvés Coulomb kölcsönhatás Elektron mozgás Periódusos jobb és bal szélein levő elemek között. (kerámiák) Nem irányított Tulajdonságok: Magas op. Kemény, törékeny Jó elektromos és hőszigetelők
Nemesgáz szerkezetre törekvés Elektron megosztás Periódusos jobb oldalán levő elemek (kerámiák, műanyagok, félvezetők) Irányított Kovelens s kötésk Tulajdonságok: attól függ, hogy atomrács vagy molekularács Ionos karakter= 1 e (X A X B ) 4 2 x (100%) ahol X A, X B a Pauling-féle elektronegativitás Fémes s kötésk Elektron megosztás (delokalizált elektronfelhő, max. 3e - /atom) Periódusos leggyakoribb kötése (fémes elemek és ötvözeteik) Nem irányított atomtörzsek Tulajdonságok: Kemény, de jól alakítható Jó elektromos és hővezetők elektronfelhő
Mikroszkópikus szinten Fázisdiagramok Mindig termodinamikai egyensúlyra vonatkozik. A fázisdiagramok segítségével megmondható: 1) A fázisok száma és típusa 2) A fázisok összetétele 3) A fázisok mennyisége A legegyszerűbb két k t komponensű Az oldat- -ek (pl. Ni-Cu ) Kristály rács elektronegativitás r (nm) Ni Cu FCC FCC 1.9 1.8 0.1246 0.1278 Az azonos kritályrács, valamint a közel azonos elektronegativitás és atomsugár kölcsönös oldékonyságot sejtet ( Hume Rothery szabály). A Ni és a Cu egymásban korlátlanul oldódik (izomorf).
1) A fázisok f száma és s típusat Példák: A(1100 C, 60): 1 fázis: α B(1250 C, 35): 2 fázis: 1600 1500 1400 1300 B (1250 C,35) liquidus α solidus (FCC szilárd oldat) Cu-Ni fázisdiagram 1100 A(1100 C,60) 1000 0 20 40 60 80 100 m/m% Ni Példák: Co = 35 m/m% Ni TA = 1320 C: 2) A fázisok f összetételetele Csak folyadék (L) CL = Co ( = 35 m/m% Ni) TD = 1190 C: Csak szilárd ( α) Cα = Co ( = 35 m/m% Ni) TA 1300 TB = 1250 C: Mind α mind L CL = Cliquidus ( = 32 m/m% Ni) Cα = Csolidus ( = 43 m/m% Ni) TB TD 20 Cu-Ni A B 3235 C L C o liquidus solidus D α (szilárd) 4 3 C α 30 40 50 m/m% Ni
3) A fázisok f mennyisége Példák: Co = 35 wt% Ni TA: Csak folyadék (L) WL = 100 m/m%, Wα = 0 TD: Csak szilárd (α) WL = 0, Wα = 100 m/m% TB: Mind α, mind L W L = W α = S R +S R R +S 43 35 = = 73 m/m% 43 32 = 27 m/m% TA 1300 TB TD 20 Emelőszabály! Cu-Ni A B R S 3235 C L C o liquidus solidus D α (szilárd) 4 3 C α 30 40 50 m/m% Ni A Cu-Ni bináris egyensúlyi hűtéseh A : - kétkomponensű Cu és Ni - izomorf 1300 L: 35 m/m% Ni α: 46 m/m% Ni azaz a komponensek egymásban korlátlanul oldódnak; avagy az α fázis 0-tól 100 m/m% Ni-ig terjed. Tekintsük most a kezdetben 1300 o C-os C o = 35 m/m%ni lassú hűtésének esetét! 1100 20 35 32 α (szilárd) A B C D 24 36 E 35 Co L: 35m/m%Ni 43 46 30 40 50 m/m% Ni Cu-Ni L: 32 m/m% Ni α: 43 m/m% Ni L: 24 m/m% Ni α: 36 m/m% Ni
Egyensúlyi vs. nemegyensúlyi hűtésh termodinamika vs. kinetika Ami lejátszódhat még nem biztos, hogy le is játszódik! egyensúly a fázisegyensúlyt minden időpillanatban fenntartjuk; ehhez diffúzió szükséges (olvadékban/folyadékban még OK, de szilárd fázisban különösen alacsonyabb hőmérsékleteken igen lassú!) igen lassú hűtést feltételez egyensúlyi állapot stabil; nemegyensúlyi állapot metastabil A metastabil fázisokat tartalmazó ek sokszor sokkal érdekesebbek, mint a stabil, egyensúlyi ek. Az egyensúlyi állapottól való eltérés mértéke a hűtési sebességtől és a szilárd fázisra jellemző diffúziós sebességtől függ. Szegregáci ció Cα változik a megszilárdulás közben. A szemcsékben az elemek eloszlása nem homogén; a mag a magasabb olvadáspontú fémben gazdagabb. Egyensúlyi Nemegyensúlyi
Két t komponensű eutektikus ek Eutektikum (eutektos(g)=könnyen olvadó) az a két komponensű keverék, mely jól meghatározott minimális olvadásponttal rendelkezik. Példa: 3 db 1-fázisú régió (L, α, β) 3 db 2-fázisú régió (L+α, L+β, α+β) T E : legalacsonyabb T, ahol folyadék lehet Korlátolt oldhatóság (T<T E ): α: kevés Ag a Cu-ben β: kevés Cu az Ag-ben Eutektikus átalakulás: hűtés 1000 600 400 200 0 α L(C E ) α(c αe ) + β(c βe ) fűtés Cu-Ag α + β L+β β T 800 779 C E 8.0 eutektikus izoterma 71.9 91.2 solvus solidus liquidus eutektikus pont 20 40 60 80 100 C E C o, m/m% Ag A lézeres l anyagmegmunkálás szempontjából l fontos anyagi tulajdonságok Optikai tulajdonságok Mechanikai tulajdonságok Termikus tulajdonságok
Abszorptivitás, s, A E = 1 = A + R + T O1 absz A E 0 A nyaláb teljes energiájának, teljesítményének ezen, abszorbeált része hasznosul, hisz ez fordítódik a minta megmunkálására. polarizációfüggő! (ld. Fresnel formulák) hőmérsékletfüggő, legtöbb szilárd fémre, ötvözetre az IR-ban da/dt>0 függ a felületi simaságtól durva felszín A-ja nagyobb Abszorpciós s tényezt nyező, β O2 Beer-Lambert törvény: E( z) = E 0 e β z E 0 : a mintára eső energia (z=0) E: a minta z mélységébe jutó energia β: abszorpciós tényező abszorpciós hossz: ahol E0 E( z absz ) = e z absz = 1 β