2016.02.22.
Anyagtudomány – 2015/16
Kristályok, rácshibák, ötvözetek, termikus viselkedés (ismétlés)
Dr. Szabó Péter János
[email protected]
Az atomok elrendeződése • Hosszú távú rend (kristályok) • Az atomok elhelyezkedését jól definiált transzlációval írhatjuk le
Kristályok
1
2016.02.22.
Transzláció
Kristályrács Transzláció: r ma1 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
Monoklin
Triklin
Romboéderes P - Primitive (egyszerű) I - Body centered (térben P-primitive középpontos) I-body centered F - Face centered (felületen F-face centered középpontos) centered C - SideC-side centered (alaplapon középpontos)
2
2016.02.22.
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
2016.02.22.
Kristályhiba-típusok • • • •
Ponthibák (0 dim.) Vonalszerű hibák (1 dim.) Felületszerű hibák (2 dim.) Térfogati hibák (3 dim.)
Vakancia
Szubsztitúciós atom
4
2016.02.22.
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
2016.02.22.
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
2016.02.22.
Éldiszlokáció Diszlokáció vonala: l Csúszósík adott nem mozgékony Extra sík Burgers vektor: b
bl
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
2016.02.22.
Diszlokációsűrűség változása képlékeny alakváltozás során Definíciók Lágyított: 106-107 cm-2 Alakított: 1012-1014 cm-2
Frank-Read forrás működése
Frank-Read forrás TEM képe
8
2016.02.22.
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
2016.02.22.
Nagyszögű szemcsehatár A dermedés során véletlen orientációjú kristálycsírák összenőnek. Az egyes szemcsék csak orientációjukban különböznek.
Kis- és nagyszögű határ összehasonlítása
Fázishatárok
10
2016.02.22.
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
2016.02.22.
Ikerhatár Mikroszkópi csiszolatokon párhuzamos egyenesekként jelenik meg
Térfogati (3 dim.) hibák • • • •
Üregek Zárványok Kiválások Gázbuborékok
Üregek
12
2016.02.22.
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
2016.02.22.
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 1 n n! N 2 2 n 2 !2!
n=90 alkotó esetén N=4005, és n=50 esetén is 1225 állapotábra lehetséges. 42
14
2016.02.22.
Állapotábra korlátlan oldhatósággal folyékony és szilárd állapotban Fázisok: folyadék, szilárd T
F+SZ=K+1
folyadék b
likvidusz
a x
y szolidusz szilárd A
Csz
Cö
x a y b x y 1
Cf
B
Emelőkar szabály
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.
A(1100,60): 1 fázis: a
1500 1400 1300
B(1250,35): 2 fázis: f + a
1200 1100
f (folyadék) B (1250,35)
• Példák:
T(°C) 1600
a (f.k.k szilárd oldat) A(1100,60)
1000 0 20 40 60 80 100 tömeg % Ni Cu
44
Állapotábra használata 2. Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentrációjánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok koncentrációja. Co= 35% Ni Cu-Ni rendszer T(°C) TA- nál A karok TA csak folyékony oldat f (folyadék) Cf=Co =35%Ni 1300 B TD-nél TB csak a szilárd oldat a Ca=Co=35% Ni D 1200 TD TB-nél két fázis (a+f) 32354043 50 30C 20 Ca Cf =Clikvidusz =32% Ni f Co tömeg % Ni 45 Ca=Cszolidusz=43%Ni
15
2016.02.22.
Állapotábra használata 3. Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentrációjánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok mennyisége Co= 35% Ni
Cu-Ni rendszer T(°C) A karok TA 1300 f (folyadék)
TA – nál csak folyadék 100 % folyadék, 0% a TD-nél csak a szilárd oldat 100 % a, 0% folyadék
B
TB
TB-nél két fázis a+folyadék
a b
1200 b 43 35 xfoly. 73% TD a b 43 32 20 a 35 32 y a 27% a b 43 32
a
D
32 35 43 30 cf co 40 ca 50
tömeg % Ni
46
Fe-C ikerdiagram δ
1538
A H
1394
I 0,5 0,16 0,1
N
B
1493 folyadék D
ausztenit
γ
912 G M O 769 P
E
S
C
1147
F
K
727
perlit
ledeburit
ferrit
a
Q 0
Fe 47
1252
cementit
delta ferrit
25
atom % C
0
L 0,8
2,1
0,02
tömeg % C
4,3
6,7
Fe3C tömeg % Fe3C
0
100
Fázisok a metastabil rendszerben 2. f
a
f+
f+c f++c a++c
c
a
c
ac
- ausztenit
f - folyadé folyadék c - cementit
a - ferrit 48
Fe
Fe3C
16
2016.02.22.
Szövetelemek a metastabil rendszerben • Homogén szövetelemek – delta ferrit – d (szilárd oldat) – ausztenit – (szilárd oldat) – ferrit – a (szilárd oldat) – primer (I.) cementit – Fe3C (folyadékból válik ki) – szekunder (II.) cementit – Fe3C (ausztenitből válik ki) – tercier (III.) cementit – Fe3C (ferritből válik ki)
• Heterogén szövetelemek 49
– ledeburit (eutektikum) – telített folyadékból alakul ki – perlit (eutektoid) – telített ausztenitből alakul ki
17
