HŐKEZELÉS 2016/2017 ősz BMEGEMTAGM3
Dr. Fá Fábiá bián Enikő Enikő Réka
[email protected] [email protected]
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
