Atomerőművi anyagvizsgálatok 4. előadás: Fémtan

Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Nukleáris Technikai Intézet (NTI)

Atomerőművi anyagvizsgálatok 4. előadás: Fémtan

Tárgyfelelős: Dr. Aszódi Attila Előadó: Kiss Attila 2012-2013. ősz

2012. 09. 27.

Atomerőművi anyagvizsgálatok

1/87

Köszönetnyilvánítás: • Kiss Attila elıadásainak diái Dr. Csizmazia Ferencné tanárnı (SZE-Gyır) 2000-2001. tanévi elıadásainak anyagai és a tanárnı interneten fellelhetı diái alapján készültek néhány világhálóról lementett képi illusztráció hozzáadásával. *** • Jelen elıadás szerzıje (tanárnı egykori hallgatója) ezúton is köszönetet mond Dr. Csizmazia Ferencné tanárnınek (SZE-Gyır) a diák közreadásáért! Kiss Attila Tudományos segédmunkatárs BME NTI 2012. 09. 27.


2/67

Kérdések az elızı óráról 1. A fémüveg az olvadékból olyan gyorsan lehőtött fém, amelynek nem alakul ki a kristályszerkezete, hanem a gyors hőtés (a lehőtés tipikus sebessége: 105 K/s) miatt a folyadékban uralkodó atomi rendezetlenség fagy bele az anyagba. Amorf fémnek, fémüvegnek vagy üveges fémnek is nevezik. 2. Forrásgörbe Vs párolgásgörbe: – Bihari: Termodinamika Vs Aszódi: Kétfázis hıátadás

2012. 09. 27.


3/87

Fémtan

2012. 09. 27.


4/87

A 4. előadás tartalma

Fémtan: 1. A metallográfia és jelentősége 2. Fémtani alapfogalmak 3. Színfémek és ötvözetek egyensúlyi lehűlése 4. A vas- karbon ötvözetrendszer 2012. 09. 27.


5/87

A metallográfia és jelentősége

2012. 09. 27.


6/87

A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége Kísérlet: • Két azonos anyagminıségő kötıtőt fehér izzásig melegítünk, majd az egyiket vízben gyorsan lehőtünk, a másikat levegın hagyjuk lehőlni – hajlítás hatására a gyorsan lehőtött tő jelentısen meghajlik (jelentıs képlékeny alakváltozást mutat szívós-képlékeny viselkedés), – a másik rögtön eltörik (rideg anyagként viselkedik).

• A kísérlet során az összetétel nem változott, de a tők tulajdonságai igen! • A változás oka: az acél kötıtők kristályszerkezetének megváltozása! 2012. 09. 27.


7/87

A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A kristályos anyagok fizikai tulajdonságait a kristályszerkezet nagymértékben befolyásolja! – Pl. 1.: elemi szén két megjelenési formája a grafit és a gyémánt az eltérı tulajdonságok oka az eltérı kristályszerkezetük – Pl. 2.: a vas és ötvözeteinek kristályszerkezetei a fémek szerkezetével egy külön tudomány, a fémszerkezettan (metallográfia) foglalkozik! 2012. 09. 27.


8/87

A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége • A fémek tulajdonságait kristályrácsuk szerkezete nagymértékben befolyásolja! • Ezért érdemes megismerni a fémek leggyakoribb rácsszerkezeteit… • A fémek általában szabályos (köbös) rendszerben kristályosodnak!

2012. 09. 27.


9/87

A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A köbös térrácsnak több változata van: – Egyszerő köbös „EK” (pl. Pd palládium) – Térközepes köbös „TKK” (pl. Cr; W; Mo; Fe; V) – Lapközepes köbös „LKK” (Al; Ni; Cu; Ag; Fe)

2012. 09. 27.


10/87

A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége A köbös térrács változatai: – „EK” (pl. Pd - palládium) – „TKK” (pl. Fe – α vas) – „LKK” (pl. Fe – γ vas) Az Fe-nek T [°C] függvényében kétféle rácsszerkezete, kristálymódosulata létezik: α vas (TKK) <910°C< γ vas (LKK) (lassú melegítés/hőtés esetén) 2012. 09. 27.


11/87

A fémszerkezettan (metallográfia) jelentısége • A kristályos anyagok rácsszerkezetének átrendezıdését, átkristályosodásnak nevezzük, mely egy megfordítható folyamat. • Azt a hımérséklet, amelyen az átkristályosodás létrejön, átkristályosodási kritikus hımérsékletnek nevezzük (pl.: Fe-nél 910°C) – Az Fe átkristályosodása lassú melegítés/hőtés esetén következik be 910°C-on! – Ha a T-változás gyors, akkor melegítéskor az átkristályosodás 910°C fölött, h őtéskor alatta következik be! – Az eltérés annál nagyobb, minél nagyobb a hőtés/melegítés sebessége! – Vagyis az átkristályosodási hımérsékletet a hımérséklet változás sebessége is befolyásolja! 2012. 09. 27.


12/87

Fémtani alapfogalmak

2012. 09. 27.


13/87

Fémtani alapfogalmak 1/15 Színfém: • Gyakorlatban nem létezik a színfém (mindig van benne kevés szennyező anyag); • Néhány kivételtől eltekintve nem alkalmaznak színfémeket a gyakorlatban (kivétel pl. platinaimplantátum, Al vagy Cu elektromos kábelek, stb.); • Előállítása drága; • Általában mechanikai tulajdonságaik nem felelnek meg az elvárásoknak (pl. túl lágyak, törékenyek, ridegek, stb.). 2012. 09. 27.


14/87

Fémtani alapfogalmak 2/15 • Az ismert elemek között kb. 70 a fémes elem, amelyek közül 30-at alkalmazunk az iparban; • A színfémek nagy számuk és különbözı tulajdonságaik ellenére sem elégítik ki az ipar követelményeit; • A követelményeknek megfelelı tulajdonságú - kellıen szilárd és kemény, korrózióálló, stb. – fémes anyagokat ötvözéssel állítják elı. • Fémek ötvözetében fémek, félfémek (metalloidok, pl. C, Si, stb.) és nemfémes elemek (pl. S) fordulhat elı. 2012. 09. 27.


15/87

Fémtani alapfogalmak 3/15 Ötvözet: • Az ötvözet a fémek megszilárdult oldata. • Olyan, legalább látszatra egynemű, fémes természetű elegyet értünk ötvözet alatt, amelyet két vagy több fém összeolvasztása, vagy egymásba való olvadása útján nyerünk; • Gyakorlatban döntő többségben ötvözeteket használunk. 2012. 09. 27.


16/87

Fémtani alapfogalmak 4/15 Ötvözet rendszer: • Két vagy több fém alkotóból előállítható ötvözetek összességét ötvözet rendszernek nevezzük; • Két, három vagy több alkotós ötvözetekről beszélhetünk.

2012. 09. 27.


17/87

Fémtani alapfogalmak 5/15 Ötvöző: • Ötvözőbe szándékosan bevitt ötvöző elemeket (pl. vasötvözet esetén hőállóság növelésére wolfrán) és szándékolatlanul bevitt szennyező anyagokat különböztetünk meg (pl. vasötvözet esetén S és P). • (Ha az ötvözőanyag olyan kis mennyiségben fordul elő, hogy a tulajdonságokra gyakorolt hatása elhanyagolható, akkor kísérő anyagnak nevezzük.) • Az ötvöző tehát az alapfémbe szándékosan bevitt, az ötvözet tulajdonságait a felhasználási cél szempontjából pozitív irányba befolyásoló anyag! 2012. 09. 27.


18/87

Fémtani alapfogalmak 6/15 Mikroötvözők: • Az alapfémbe kis %-ban (jellemzően 1% alatti arányban) bevitt anyag, ami jelentősen befolyásolja az ötvözet tulajdonságait; • Két fajtája van a bejutás módja szerint: – Szándékos, pl. olvadáspont növelésére W acélba; – Szándékolatlan, ami elve az alapfémben van, pl. a szén a vasban.

2012. 09. 27.


19/87

Fémtani alapfogalmak 7/15 Az ötvözetekben négy féle szilárd halmazállapotú fázis fordulhat elő: • Színfém; • Szilárd oldat (fémötvözetek, pl. acélok); • Fémvegyület (szokatlan tulajdonságú anyagforma, amit nem fémes kötés tart össze); • Eutektikum fordulhat elő. 2012. 09. 27.


20/87

Fémtani alapfogalmak 8/15 Színfém: • Több komponensű rendszer esetén sem alkotnak egy szövetszerkezetet a komponensek; • A rácsszerkezetet nem együtt, hanem különkülön alakítják ki.

2012. 09. 27.


21/87

Fémtani alapfogalmak 9/15 Szilárd oldat: • A szilárd oldatban a komponensek együtt alakítják ki a rácsszerkezetet (a vegyeskristályt), vagyis csak fizikai kapcsolat alakul ki az alapfém és az ötvöző között; • Az ötvözet rácsa megegyezik az alapfém (oldó fém) rácsával; • Az ötvöző fém atomjai az oldó fém rácsában kétféleképpen helyezkedhetnek el (ált. torzulást okozva!!!): 1. Intersztíciós szilárd oldat – az ötvöző fém atomja az alapfém atomjai közzé ékelődik. 2. Szubsztitúciós (helyettesítő) szilárd oldat – az ötvöző fém atomja az alapfém atomjának helyén van;

2012. 09. 27.


22/87

Fémtani alapfogalmak 10/15 Szilárd oldat (folyatatás): • Korlátlan oldódás csak szigorú feltételek mellett jöhet létre. • Feltételek szubsztitúciós szilárd oldat kialakításához: – Azonos rácsszerkezet alapfém és ötvöző között; – Atomátmérőben +/- 15%-nál nem nagyobb eltérés; – Azonos vegyérték az alapfém és az ötvöző esetén. – Az alapfém és ötvöző elektrokémiai potenciálja nem nagy mértékben különbözik. Ha az első három feltétel teljesül, akkor az utolsó is teljesül! Példa korlátlan oldódásra: Cu-Ni; Au-Ag, stb.

2012. 09. 27.


23/87

Fémtani alapfogalmak 11/15 Szilárd oldat (folyatatás): • Korlátlan oldódás intersztíciósan is csak szigorú feltételek mellett jöhet létre. • Feltételek intersztíciós szilárd oldat kialakításához: – Azonos rácsszerkezet alapfém és ötvöző között; – Atomátmérőben +/- 15%-nál nagyobb eltérés; Példa: Ni oldódása a γ-vasba; vagy a Cr oldódása az αvasba, de a C a vasban is így oldódik, stb.

2012. 09. 27.


24/87

Fémtani alapfogalmak 12/15 Szilárd oldat (folyatatás): • Az ötvöző atomok nem illenek bele tökéletesen az ötvöző fém rácsszerkezetébe méretük miatt; • A maradó alakváltozáshoz annál nagyobb erőre van szükség, minél torzultabb a rács; • Ezért a rácstorzulások nehezítik, de nem akadályozzák meg a csúszást (maradó alakváltozást); • A gyakorlatban használt fémek szilárd oldatai képlékenyen jól alakíthatóak, szilárdabb anyagok, mint az a színfém, amelyikből keletkeznek!

2012. 09. 27.


25/87

Fémtani alapfogalmak 13/15 Fémvegyületek: • Ha az alapfém és az ötvöző rácsszerkezete nem egyezik meg, akkor fémvegyület jön létre az ötvözés során; • Ilyenkor az alapfém és az ötvöző kémiai kapcsolatba lép egymással a közöttük meglévő nagy kémiai affinitás miatt; • A fémvegyületekben az atomok között fémes kötés van, ezért a kémiai vegyületektől eltérő a tulajdonságuk: fémes fényűek, a villamos áramot és hőt jól vezetik! • Szerkezete: a fémvegyületek krisztallitjai színfémbe vagy szilárd oldatba ágyazódva fordulnak elő! • Szerkezetük bonyolult ezért bennük csúszások nem jöhetnek létre ált. képlékenyen nem alakíthatóak, ridegek, törékenyek, igen kemények! Pl.: vörös iszap vagy a Fe3C – vaskarbid ami ált. nemkívánatos szövetszerkezetet képez a vas-szén ötvözet rendszerben. – Tisztán fémvegyületből álló ötvözetet az iparban ált. nem alkalmaznak! 2012. 09. 27. Atomerőművi anyagvizsgálatok –

26/87

Fémtani alapfogalmak 14/15 Az ötvözetek csoportosíthatóak szerkezetük szerint: 1.Az egyféle krisztallitokból álló ötvözeteket egynemő (homogén) ötvözeteknek nevezzük. A szilárd oldatok egynemő felépítéső, homogén szerkezető ötvözetek! Lásd 11. ábra a) 2.Ha az ötvözet fémvegyületet alkot, vagy külön kristályosodik, akkor az ötvözetben már kétféle krisztalit lesz. Ezeknek az ötvözeteknek a szerkezete heterogén, nem egynemő! A homogén ötvözetekben nincs jelen kétféle, két különbözı potenciálú anyag nem jöhet létre elektrokémiai korrózió! Ezért a korrózióálló (rozsdamentes, saválló) ötvözeteknél fontos, hogy homogén ötvözetek legyenek ált. szilárd oldatok! 2012. 09. 27.


27/87

Fémtani alapfogalmak 15/15 Eutektikum (jól olvadó): • A fémekben bizonyos feltételek (koncentrációk) mellett előforduló szövetszerkezet, amiben az alapfém és az ötvöző korlátoltan oldja egymást. • Azt az ötvözetet, ahol az egyensúlyi digramon az olvadási vonal érintkezik a dermedési vonallal, eutektikus (jól olvadó) ötvözetnek nevezzük! • Alacsony olvadáspontjuk miatt, különösen alkalmasak öntvények készítésére! • Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik! 2012. 09. 27.


28/87

Színfémek és ötvözetek egyensúlyi lehűlése

2012. 09. 27.


29/87

Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás) F + Sz = K + 1. K=1 1. Szakasz F=1 olvadék Sz =1 T változhat 2. Szakasz F=2 olvadék + szilárd Sz= 0 T = constans 3. Szakasz F=1 szilárd Sz=1 T változhat

1. szakasz 2. szakasz

3. szakasz

Az ábrán látható dT hőmérsékletkülönbség a kristályosodás megindításához kell!

.

2012. 09. 27.


30/87

Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás)

Egyszerősített lehőlési görbe

2012. 09. 27.


31/87

Színfém lehűlési görbéje (nincs allotróp átalakulás) Olvadás/dermedés: • az anyag hımérséklete a közölt hı ellenére sem változik. • A közölt hı ekkor a kristályrács lerombolására/felépítésér fordítódik

Pl.: Réz (Cu)

A színfémek olvadáspontjának és dermedéspontjának hımérséklete azonos! 2012. 09. 27.

• Az olvadásponton vagy az annál magasabb hımérsékleten az anyag folyékony halmazállapotú • A dermedésponton vagy az annál alacsonyabb hımérsékleten az anyag szilárd halmazállapotú


32/87

Színfém hevítési és lehűlési görbéje (Fe-allotróp átalakulás van ) A melegítés hatására bekövetkezı hımérséklet-növekedés nem folyamatos, mert közben változik az anyag szerkezete és ez energiát igényel (allotróp átalakulás/olvadás)! Az atomok rendezetlen állapotban végeznek hımozgás= cseppfolyós halmazállapot

To Fe . .

Az atomok rendezett állapotban (kristályrácsban) végeznek hımozgást = szilárd halmazállapot

Felmelegítési görbe

2012. 09. 27.

Lehőlési görbe


33/87

Színfém lehűlési görbéje A kristályosodás folyamata A szilárd fémek szabálytalan alakú kristályokból, krisztallitokból épülnek fel!

Az atomok hımozgásának energiája < az atomok közötti vonzóerı

A kristályok kezdetben egymástól függetlenül, szabályosan fejlıdnek, majd összeérnek és akadályozzák egymás növekedését. Így szabálytalan kristályok jönnek létre!

Az elemi kristályok a kristályosodási központok, belılük indul ki a kristályosodás!

2012. 09. 27.


34/87

A krisztallitok vizsgálata

• A krisztallitok a fém felületének megfelelı elıkészítése után, fémmikroszkóp segítségével, 100-szoros nagyítás mellett már látható, fényképezhetı. • A krisztallitok szövetszerően nınek egymáshoz szövetszerkezet (szemcseszerkezet) elnevezés. 2012. 09. 27.


35/87

A megszilárduláskor keletkező szemcseméret és hatása az anyag tulajdonságaira • Ha a folyékony fém lassan hől, benne kevés kristályosodási központ keletkezik és kevés helyen indul meg a kristályosodás a krisztallitok nagyra nınek, durva szemcseszerkezet alakul ki. • Ha a folyékony fém gyorsan hől, benne sok kristályosodási központ keletkezik és sok helyen indul meg a kristályosodás a krisztallitok kicsik maradnak, finom szemcseszerkezet alakul ki.

A finom szövetszerkezet általában hasznos, mert a finom szövetszerkezető fémek szívósak, nagy képlékeny alakváltozás után törnek!

A durva szövetszerkezet általában káros, mert a durva szövetszerkezető fémek ridegek, könnyen törnek!

2012. 09. 27.


36/87

A megszilárduláskor keletkező szemcseméret és hatása az anyag tulajdonságaira

• Öntés után általában az öntvény lassan hől, szövetszerkezete durva lesz. • A durva szövetszerkezető öntvényeknél olyan eljárást alkalmaznak, amely szerkezetüket finomabbá alakítja. • Ezt az eljárást hıkezelésnek nevezik a továbbiakban nem foglalkozunk a hıkezelésekkel. 2012. 09. 27.


37/87

A krisztallitok vizsgálata

• A metallográfiai vizsgálatokkal a fémek és ötvözeteik krisztallitos szerkezetét, szemcseszerkezetét vizsgálják. • Ezeknek a vizsgálatoknak két nagy csoportja van: – Mikroszkópos (50-2000-szeres nagyítás); – és makroszkópos (szemmel vagy 15-20-szoros nagyítóval).

Célja: – eldönteni, hogy adott anyag, adott célra alkalmas-e, – illetve anyaghibák feltárására. 2012. 09. 27.


38/87

A szilárd oldatok

2012. 09. 27.


39/87

Ötvözet lehűlési görbéje F + Sz = K + 1 K= 2 A és B 1. Szakasz F=1 Sz=2 T és c változhat 2. Szakasz F = 2 Sz = 1 T változhat 3. Szakasz F = 1 Sz = 2 T és c változhat

1. szakasz

2. szakasz 3. szakasz

Ötvözetek olvadáspontjának hımérséklete nem egyezik meg a dermedéspont hımérsékletével. Olvadásuk és megszilárdulásuk nem egy hımérsékleten, hanem két hımérsékleti érték között következik be. 2012. 09. 27.


40/87

Kétalkotós egyensúlyi diagramok • A fémek és ötvözeteik viselkedésének vizsgálata a lehűlési görbék segítségével megtehető. • Két fém minden lehetséges összetételét egyensúlyi diagramon vagy állapot ábrán lehet bemutatni, ahol az egyensúlyi diagram vízszintes tengelyén az A és B komponens összes lehetséges koncentrációi, függőleges tengelyén a hőmérséklet van feltüntetve. 2012. 09. 27.


41/87

Kétalkotós egyensúlyi diagramok

2012. 09. 27.


42/87

Kétalkotós egyensúlyi diagramok • Az egyensúlyi diagram vízszintes tengelye az alapvonal - koncentráció egyenes - hossza 100 % -nak felel meg. • A vonal egyik vég pontja A (100 % A) , a másik vég pontja a B (100 % B) alkotónak felel meg. A közbenső pontok, A-tól B felé haladva a két alkotó %-át mutatják. • A függőleges tengelyre a hőmérsékletet visszük fel. 2012. 09. 27.


43/87

Kétalkotós egyensúlyi diagramok szerkesztése . .

2012. 09. 27.


44/87

Az egyensúlyi diagramok értelmezése Adott ötvözetben és adott hőmérsékleten az alábbi kérdéseket kell megválaszolni az egyensúlyi diagramok segítségével: −milyen fázis, vagy fázisok találhatók −milyen az adott fázis, vagy fázisok összetétele, koncentrációja −mennyi a fázis, vagy fázisok mennyisége 2012. 09. 27.


45/87

Az egyensúlyi diagramok értelmezése Homogén, egyfázisú területen az ötvözetet egy pont, a hőmérsékleti izoterma és az ötvözetjelző metszéspontja jellemzi!

2012. 09. 27.


46/87

Konóda Az ötvözetet a hőmérséklet jelző izotermának a likvidusz és szolidusz vonallal határolt részén az un konóda jellemzi.

2012. 09. 27.


47/87

Koncentráció szabály A koncentráció szabály, a likvidusz és a konóda metszéspontja a koncentráció egyenesre vetítve az olvadék fázis, a szolidusz és a konóda metszéspontja pedig a szilárd fázis összetételét adja meg. 2012. 09. 27.


48/87

Emelőszabály A fázisok mennyiségének meghatározását teszi lehetővé • Az olvadék mennyisége

x=

c d+c

c x= c+d

d • A szilárd fázis 1− x = mennyisége c+d

Az emelő szabály a fordított karok szabálya. 2012. 09. 27.


49/87

Fázisdiagram T2 hőmérsékletre

De a gyakorlat nem ilyen egyszerű, mert a komponensek nem feltétlen oldják egymást korlátlanul ☺ Vagyis eutektikus rendszereket is képeznek! 2012. 09. 27.


50/87

Az egyensúlyi diagramok fajtái 1., Ha az ötvözet szilárd állapotban korlátlanul oldódik: • Megszilárduláskor kizárólag szilárd oldat keletkezik; • A likvidusz és szolidusz egyaránt görbe; • Az olvadási és dermedési hımérséklet minden koncentráción különbözik a likvidusz és szolidusz nem érintkezik! • Minden összetételnél található pépes (szilárd oldat + olvadék) állapot! 2012. 09. 27.


51/87

Az egyensúlyi diagramok fajtái 1., Ha az ötvözet szilárd C állapotban nem oldódik: o • Csak az olvadási vonal 300 görbe, a dermedési vonal egyenes; • Van olyan összetétel, ahol a 200 szolidusz és likvidusz találkozik To=Td ilyenkor 100 az ötvözet úgy szilárdul meg, mint a színfémek; 5640 60 Sn100% • Ekkor lehőlés közben nincs 4460 0% 40 pépes állapot!

2012. 09. 27.


271 231 135

0% Bi100%

52/87

Az egyensúlyi diagramok fajtái 1., Ötvözet szilárd állapotban korlátoltan oldódik pl.: Al-Cu • Az Al szilárd állapotban csak korlátozottan oldja a Cu-t; • Csak egy meghatározott Cu %-ig (5,6% „E”) keletkezik dermedéskor szilárd oldat eddig görbe a szolidusz; • 5,6 Cu% alatt a szilárd oldatban hőléskor csökken a Cu oldó képesség a telített szilárd oldatból a Cu fémvegyület formájában válik ki (CuAl2); • Az Al Cu oldó képessége 25°C-on már csak 0,5% („S”)! • Ha Cu%>5,6% fémvegyület: kevés szilárd oldat + CuAl2; 2012. 09. 27.


A fémvegyület kiválása a szilárd oldatból az ES vonal mentén! Ez egy melegítés hatására megfordítható folyamat! a szilárd oldat jobban alakítható képlékenyen meleg hengerlés pl.!

53/87

Fémtani alapfogalmak 15/15 Eutektikum: • A fémekben bizonyos feltételek mellett előforduló szövetszerkezet, amiben az alapfém és az ötvöző (nem csak fém, pl. Cszén) korlátoltan oldja egymást.

2012. 09. 27.


54/87

Eutektikum képződés Az eutektikum két likvidusz metszéspontjának megfelelő összetételnél képződik, állandó hőmérsékleten. Általános egyenlete:

Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik!

olvadék→ szilárd 1 + szilárd 2 2012. 09. 27.


55/87

Sn-Pb

Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik!

2012. 09. 27.


56/87

Két szilárdoldat eutektikus rendszere (Tamman 7.) Megszilárduláskor az alkotórészek krisztallitjainak finom eloszlású keveréke keletkezik!

Azt a diagramot, amely szerint az ötvözetek szövetösszetétele és a szövetelemek mennyisége meghatározható, szövetdiagramnak nevezzük. 2012. 09. 27.


57/87

Vas- karbon ötvözetrendszer

2012. 09. 27.


58/87

A vas 1. • A vas a fémek többségéhez hasonlóan elemi állapotban nem található meg a Föld kérgében. • A földkéreg mintegy 4,7%-át vas alkotja, több mint száz vasásvány formájában. • A vas ércásványai közül legfontosabbak az oxidok, pl: – – – –

a magnetit (mágnesvasérc), a hematit (vörösvasérc), a limonit (barnavasérc) a karbonát alapú sziderit (vaspát).

2012. 09. 27.


59/156

A vas 2. • A vasat az ércből úgy állítják elő, hogy az ércet redukálják, azaz oxigéntartalmát eltávolítják. • A redukciót szénnel és szén-monoxiddal valósítják meg nagyolvasztó kohókban nyersvasgyártás. • A folyékony vas jól oldja a szenet (jól ötvöződik vele), a nyersvasnak olyan magas a karbontartalma, hogy képlékenyen nem alakítható. 2012. 09. 27.


60/156

Vas- Karbon diagram (Heyn-Charpy féle iker diagram)

ausztenit

Olv.+cementit

A vas-vaskarbid (folyamatos vonal) és a vas-grafit (szaggatott vonal)

Ausztenit + olv. ausztenit GSE – A3 & Acm – felsı átalakulási vonal, felette nincs allotróp átalakulás!

PSK – A1 – alsó átalakulási vonal, alatti nincs allotróp átalakulás!

Ferrit+Fe3C = Perlit 2012. 09. 27.


61/87

Eltérések az eddig tárgyalt diagramokhoz képest • a diagramot csak 6,67 C %-ig ábrázolják, • bizonyos vonalak folyamatos, és szaggatott vonallal is fel vannak tüntetve 2012. 09. 27.


62/87

Az eltérések oka 1 • A 6,67 % C-nál nagyobb C tartalmú ötvözetekre semmilyen megbízható adatunk nincs, de ezeknek nincs is gyakorlati jelentősége. • A diagramban a 6.67 C %-nál látott függőleges vonal a Fe3C interszticiós vegyületnek felel meg!

2012. 09. 27.


63/87

Az eltérések oka 2 A karbon a vasötvözetekben kétféle alakban jelenik meg, – mint elemi karbon vagy grafit, – és kötött formában, mint Fe3C, vaskarbid

A vas-vaskarbid(folyamatos vonal) és a vasgrafit (szaggatott vonal) ötvözeteknek kétféle diagramjuk van. A két diagramnak egy koordináta rendszerben való ábrázolása HeynCharpy nevéhez fűződik, ezért nevezzük a diagramot Heyn-Charpy féle iker diagramnak. 2012. 09. 27.


64/87

Heyn - Charpy féle ikerdiagram A két diagram közül természetesen csak az egyik felelhet meg az egyensúlyi állapotnak! Melyik a stabil? • már 700 C° felett megfigyelhető a Fe3C felbomlása Fe3C → 3 Fe + C • a grafitos (szaggatott) vonalak a magasabb hőmérsékleteken haladnak. 2012. 09. 27.


65/87

Tehát • A vas-grafit (Fe - C) rendszer a stabil (szaggatott vonalak) • Az Fe - Fe3C rendszer a metastabil (folyamatos vonalak)

2012. 09. 27.


66/87

A vasötvözetek csoportosítása Töretük alapján – a

grafitos ötvözetek, mindig a kis szilárdságú grafit mentén törnek, így töretük a grafit hatására szürke. – A vaskarbidot tartalmazó ötvözetek törete fémes, tehát fehér.

2012. 09. 27.


67/87

Vasötvözetek kristályosodásának vizsgálata Fe-Fe3C rendszer

2012. 09. 27.


68/87

A Fe-Fe3C ötvözetek diagramja • A karbidos rendszer esetében olyan egyensúlyi diagramról van szó, ahol az egyik komponens a szín vas, a másik pedig a vaskarbid. • A diagram koncentráció egyenesén megállapodás szerint a C %-át tüntetjük fel. • A rendszer első függőlegese a szín vas lehűlési görbéjének pontjait mutatja, és a diagramot a Fe3C függőlegeséig ábrázoljuk. 2012. 09. 27.


69/87

Fe -Fe3C rendszer • Eddig megismert egyensúlyi diagramok alapján a karbidos rendszerről megállapíthatjuk, hogy az alkotók folyékony állapotban minden arányban, szilárd állapotban pedig korlátozottan oldják egymást vagyis szilárd eutektikus rendszert alkotnak! 2012. 09. 27.


70/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram Kristályosodás az BC likvidusz szerint

Elhanyagoljuk: Csak alacsony C%nál van jelentısége!

• Az AB likvidusz elhanyagolásával egészen 2 % C-ig a kristályosodás a BC likvidusz és a JE szolidusz szerint γ szilárd oldat formájában történik. Ezt a szilárd oldatot Robert Austenről, ausztenitnek nevezik. 2012. 09. 27.


71/87

Az ausztenit Az ausztenit - interszticiós szilárd oldat (A lapközepes köbös rácsú γ Fe-ban oldott C) Korlátozottan oldja a karbont, maximális C oldó képessége 2,06% (1147 C°-on, minimális 0,8% (723 C°-on) 2012. 09. 27.


72/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram Kristályosodás az CD likvidusz szerint

A nagy C tartalmú ötvözetek kristályosodása Fe3C kristályosodásával (szövetelemi neve cementit) kezdődik a CD likvidusz és a CF szolidusz szerint. 2012. 09. 27.


73/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram: Eutektikum kristályosodása A C pontban metszi egymást a két likvidusz, tehát eutektikus kristályosodás jön létre. Az eutektikum 1147 C° (ECF vonal) képződik:

olvadékC(4,3%)⇔γE(2,06%) + Fe3C(6,67%) • Az eutektikum neve Ledebur angol tudós nyomán ledeburit!

2012. 09. 27.


74/87

A ledeburit 1147 C°-on képződik 4,3 %C olvadékból. Fázisai a képződés hőmérsékletén : ausztenit és vaskarbid. 2012. 09. 27.


75/87

A ledeburit 1147 C°-on képződik 4,3 %C olvadékból. Fázisai : ausztenit és vaskarbid. Az ausztenit szekunder cemenetit kiválás után perlitté alakul

Kemény, rideg, kopásálló Az ausztenitbıl képzıdött perlit 2012. 09. 27.

vaskarbid Atomerőművi anyagvizsgálatok

76/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások • Az ausztenit - interszticiós szilárd oldat korlátozottan oldja a karbont, maximális C oldó képessége 2,06% (E). Az ausztenit korlátozott karbonoldóképességének vonala az SE, az oldhatatlanná váló C e vonal mentén Fe3CII formájában válik ki. 2012. 09. 27.


77/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások

Szekunder cementit

2012. 09. 27.


78/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások Allotróp átalakulás a lapközepes köbös γ ausztenit a szín vas A3 pontjából kiinduló GS kezdő és GP befejező görbék által meghatározott hőmérséklet közben térközepes köbös α szilárdoldattá, szövetelemi nevén ferritté alakul.

2012. 09. 27.


79/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások A ferrit α szilárd oldat, térközepes köbös rácsú α-Fe-ban intersztíciósan oldott C. Maximális C oldóképessége 723 C°-on 0,025 % (P pont) minimális szobahőmérsékleten 0,006 % (Q pont) 2012. 09. 27.


80/87

Fe-Fe3C egyensúlyi diagram Szilárd állapotban végbemenő átalakulások Eutektoidos folyamat

Az S pontban metszi egymást az allotróp átalakulás kezdő(GS) és a korlátozott oldóképesség (ES) vonala. F =3, ezek a l.k.k. rácsú γ, a keletkező t.k.k. rácsú α és a Fe3C. F = 3 esetén Sz = 0 , tehát a folyamatnak állandó hőmérsékleten kell lejátszódni. 2012. 09. 27.


81/87

Eutektoidos folyamat

• Az eutektoidos folyamat 723 C °-on a PSK vonalon játszódik le az alábbi módon:

γS(0,8%) ⇔ αP(0,025%) + Fe3C • A keletkező kétfázisú szövetelemet (eutektoidot) perlitnek nevezzük. 2012. 09. 27.


82/87

Perlit A keletkező perlit kétfázisú szövetelem, eutektoid 723 C°-on képződik γS(0,8%) ⇔ αP(0,025%) + Fe3C

2012. 09. 27.


83/87

A vasötvözeteket a diagram alapján csoportosíthatjuk • 2,06% karbon tartalomig acélokról, az annál nagyobb karbon tartalom esetén nyersvasakról, vagy öntöttvasakról beszélünk. • Az ötvözeteket tovább az eutektikus és az eutektoidos ponthoz képesti helyzetük szerint osztályozzuk: – – – –

A C<0,8 %-nál acélok hipoeutektoidos, ha C>0,8 % hipereutektoidos acélok, C < 4,3 %-nál öntöttvasakat hipoeutektikus, a C>4,3 % hipereutektikus öntöttvasaknak.

2012. 09. 27.


84/87

2012. 09. 27.


85/87

Vége a negyedik előadásnak ☺

2012. 09. 27.


86/87

Az 5-6. előadás tartalma 1. A szerkezeti anyagok fizikai tulajdonságai: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Mechanikai; Termikus; Elektromos, mágneses; Akusztikus; Optikai; Sugárfizikai.

2. Az anyagvizsgálatok célja, osztályozása; 1. A roncsolásos anyagvizsgálatok; 2. A roncsolásmentes anyagvizsgálatok. 2012. 09. 27.


87/87

Atomerőművi anyagvizsgálatok 4. előadás: Fémtan

Recommend Documents