Készítette: Sándor Gyula Kaposvár 2006
Tartalom Atom Molekula Szilárd testek Elemi cella Rácshibák Színfémek Fém ötvözetek Vas – szén ötvözetek Izotermikus átalakulás
Az atom a kémiai elemek legkisebb része, amely még rendelkezik az elemek tulajdonságaival. Az atom felépítése: – Kifelé semleges, az atommagból és a körülötte keringő negatív töltésű elektronokból áll. – Az atommag a pozitív töltésű protonokból, valamint a semleges töltésű neutronokból tevődik össze. – A rendszám Z, azonos az elem protonszámával, de mivel az atom kifelé semleges, így az elektronok számával is. – A tömegszám A, a protonok és neutronok összege, A = Z+N.
Fe++
-
--
+ - - - -- - - - -
Ø 1,66 A0
-
Ø 2,876 A0
Fe
-
- -- - -
1
-
-
+ -
A0
Atomsúly: 56, elektron szám: 26
=
10-7
mm
-
-
Ø 0,4 A0
Ø 1,54 A0
Vas - és szénatom
C
C++++
Atomsúly: 12, elektron szám: 6
Atommag: 26 proton és 30 neutron Atommag: 6 proton és 6 neutron Elektron: 9,105·10-28 gr, proton: 1,672·10-24 gr, neutron: 1,675·10-24 gr Külső héj leadása, vas ion (Fe++)
Külső héj leadása, szén ion (C++++)
Az atomok által létrehozott vegyületek legkisebb része, amely még rendelkezik a vegyület tulajdonságaival. Két, vagy több atom között kialakult kötés eredménye. Az atomok és molekulák a nyomástól és hőmérséklettől függően három állapotban fordulhatnak elő: –Rendezetlen állapot (gáz): amelyben sem rövid, sem hosszú távon rendezettség nem tapasztalható, az alak és a térfogat változó.
Rövid távú rendezettség állapota (folyékony): amelyben néhány atomnyi, vagy molekulányi távolságban rendezettség tapasztalható, az alak változó míg a térfogat változatlan.
Hosszú távú rendezettség állapota (szilárd): amelyben az atomok, vagy molekulák nagy távolságon szabályos rendben helyezkednek el, az alak és a térfogat változatlan. Az energia állapota alacsonyabb.
A szilárd testek két nagy csoportba sorolhatók az amorf és a kristályos szerkezetűek közé. – Amorf: a rövid távú rendezettségű, nagy viszkozitású folyadékok, határozott olvadásponttal. Fizikai és kémiai tulajdonságaik iránytól függetlenek ezért izotrópok. (üveg, kátrány, viasz)
– Kristályos: az atomok szabályos rácspontokban helyezkednek el, a köztük kialakuló összetartó kötések alapján megkülönböztetünk elsődleges kötésű és másodlagos kötésű kristályos anyagokat. • Elsődleges kötések nagy energiájú, erős: ionos, kovalens, fémes • Másodlagos kötés kis energiájú, gyenge: Van der Waals erők, mágneses dipólus (műanyagok). Kötések összefoglalása
Ionos kötés NaCl
FC
Na
Cl Na+
Cl-
Fémes és nemfémes anyagok között jön létre úgy, hogy az egyik atom könnyen leadja az elektront, míg a másik könnyen felveszi, így (+) és (–) ionok jönnek létre. (NaCl, MgO) Az ionrácsot a Coulomb erők (FC) tartják össze. Az elektromos áramot és a hőt gyengén vezetik, hőre és alakításra nő a vezetőképesség. Rideg viselkedés, bizonyos síkokban hasíthatók.
Kovalens kötés Cl2
Cl
Cl
Egymás melletti vagy egymáshoz közeli elemek között jön létre (H2O, Cl2) A telített közös külső héj úgy jön létre, hogy mindkét atom ugyanannyi elektront ad a közös pályára így molekulát alkotnak Irányított erős kötés, nem alakíthatók, szigetelők illetve félvezetők lehetnek.
– ha egy elektront adnak be egy molekula jön létre (Cl2, H2) – ha két - két szomszédjukkal kapcsolódva érik el a telítettséget lánc vagy gyűrű molekulát alkotnak (S; Se; láncpolimerek) – ha három szomszédjával kapcsolódva érik el a telítettséget , akkor az atomok síkot hoznak létre, az ilyen anyag könnyen hasítható (Bi) – a metalloidoknál négy szomszédos atomhoz kapcsolódik, így térbeli kristályrács alakul ki, igen erős irányított kötés (C; Si; Ge)
Fémes kötés -
+
-
-
+ - -
- - + - - +
+ +
-
-
+
- + -
+
-
-
- -
+ -
-
-
+
+
-
+
-
+ -
- + - + - -
-
-
+
-
+
Olyan atomok között jön létre, amelyek le tudnak adni egy elektront a közös elektronfelhőbe, míg pozitív fémionjaik hosszútávon térbeli rácsrendszerbe rendeződnek. Iránytól független, pozitív fémionokból és a közöttük mozgó elektron felhőből áll. Mivel a kötésük nem irányított így képlékenyen alakíthatóak, amely a kristálysíkok elcsúszásában realizálódik. Az elektromosságot és hőt jól vezetik.
Kötések összefoglalása
Azt a több atomból álló, legkisebb szabályos geometriai idomot, amely ismétlődéséből épül fel a kristályszerkezet, elemi cellának (rácselemnek) nevezzük. kristálytani sík
rácspont
kristálytani irány elemi cella
rács
Elemi cella felépítése Az atomok az elemi cella csúcsaiban (rácspontokban) rezgő mozgást végeznek. A rezgő mozgás nagysága a hőmérséklettől függ (magasabb hőmérsékleten gyorsabb). Azokat a síkokat, amelyeken a szabályosan ismétlődő atomok középpontjai vannak, kristálytani síkoknak nevezzük. Az egymást követő atomok középpontjait összekötő irányt kristálytani irányoknak nevezzük. Az elemi cellákat geometriai alakja és a cellát felépítő atomok száma alapján különböző típusokba soroljuk.
Elemi cella típusok I. Köbös: – egyszerű köbös (Po) a=b=c, α=β=γ=900
– térközepes köbös a=b=c, α=β=γ=900
– lapközepes köbös a=b=c, α=β=γ=900
Elemi cella típusok II. Tetragonális: – egyszerű (Sn) a=b≠c α=β=γ=900 – térben középpontos a=b≠c, α=β=γ=900
Ortorombos: a≠b≠c α=β=γ=900 (Ga, U)
Elemi cella típusok III. Hexagonális: a=b=c≠d, α=β=γ=900, δ=1200 (Mg) legsűrűbb illeszkedésű hexagonális
Romboéderes: a=b=c, α≠900, β≠900, γ≠900 (Hg, Bi)
Monoklin: a≠b≠c, α≠900, β≠900, γ=900 (S)
Triklin: a≠b≠c, α≠900, β≠900, γ≠900 (Se)
A cellák geometriai jellemzői Az alakváltozások megértéséhez ismerni kell a rácstípusok felépítésétől függő geometriai jellemzőket, amelyek: –
a koordinációs szám
–
az elemi cellához tartozó atomok száma
–
az atomok átmérője
–
a térkitöltési tényező
–
a síkkitöltési tényező
–
a legnagyobb hézag helye a rácsban
Koordinációs szám I. A koordinációs szám (N): a rácsban elhelyezkedő bármely atomot körülvevő legközelebbi szomszédos atomok száma, amelyeket az atom érint. – egyszerű köbös
A három irány mentén két-két szomszédos atomja van a cella kiválasztott atomjának, így: N = 3x2 = 6
Koordinációs szám II. – térközepes köbös
A kocka közepén lévő atom legközelebbi szomszédjai a nyolc sarokatom, így: N=8
Koordinációs szám III. – lapközepes köbös
A két rács vízszintes lapja középen lévő atom legközelebbi szomszédjai a vele egy síkon lévő négy sarokatom valamint a felette és alatta lévő négy-négy lapközépen elhelyezkedő atom, így: N = 12
A cella atomszáma I. A cellához tartozó atomok száma (A): az térkitöltésének meghatározásához szükséges adat.
atomok
– egyszerű köbös
Minden cella csúcsában nyolc atom helyezkedik el. Mindegyik csúcsban lévő atom tagja a nyolc szomszédos cellának. Így A = 8/8 = 1 atom/cella A=1
A cella atomszáma II. – térközepes köbös
A csúcsokban lévő nyolc atomra ugyan az érvényes mint az egyszerű köbös esetén, tehát egy darab atom tartozik hozzá. Ugyanakkor minden ilyen típusú cella közepén pedig újabb egy atom található. Így A = 8/8 + 1 = 2 atom/cella A=2
A cella atomszáma III. – lapközepes köbös
A csúcsokban lévő nyolc atomra ugyan az érvényes mint az egyszerű köbös esetén, tehát egy darab atom tartozik hozzá. A lapközepeken lévő hat atom pedig kétkét szomszédos cellával érintkezik, emiatt még három atom tartozik a cellához. A = 8/8 + 6/2 = 1 + 3 = 4 atom/cella A=4
Atomátmérő Az atomok nem pontszerűek, ezért az atomok átmérője (d) és a cella mérete (a) között geometriai kapcsolat van. d/2
d/2
□a d/2
□a
egyszerű köbös
da
lapközepes köbös
d
a 2 2
térközepes köbös
d
a 3 2
a·√2 d d/2
a a·√3
d/2
a
d d/2
a
Térkitöltés A térkitöltés T megmutatja a cellához tartozó atomok térfogatának Va és a teljes cella térfogatának Vc viszonyszámát.
Va T 100 % Vc
Va a cellához tartozó atomok számának (A) és az egy atom térfogatának szorzata. Egyszerű köbösnél A = 1 és d = a, így:
a3 Va 1 6 Vc a3
Vc a cella térfogata
a3 Tek 100 100 52 % 3 6a 6 Tlkk= 74 %
Ttkk= 68 %
Síkkitöltés Aa A síkkitöltés S megmutatja, hogy a cella S 100 % síkjának Ac, hány százalékát takarják le a Ac cellához tartozó atomok Aa. A legszorosabban illeszkedő síkokban a legnagyobb a kitöltés. a · √2 e. k.
a a
a · √2
l. k. k.
t. k. k.
a
a2 4 Sek 2 100 100 78,54 % a 4 Slkk= 55,48 %
a · √2
A legnagyobb hézag A rácsba illeszthető legnagyobb idegen atom méretét adja meg. Az ötvözeteknél megmutatja, hogy az adott elem, milyen elemmel ötvözhető. Eldönthető, hogy torzul-e a rács vagy nem. a · √2 a
e. k.
r
a 3 a a ( 3 1) 0,365 a 2 2 2
Egyszerű köbös:
r = 0,365 · a
Lapközepes köbös:
r = 0,145 · a
Térközepes köbös
r = 0,126 · a
Kristályos testek alakváltozása Az atomok a rácspontokban egyensúlyi helyzetben vannak, ezért a rácspontokból történő elmozdításukhoz energiát kell közölni. Az atomok elmozdulása lehet: rugalmas (reverzibilis), maradó (irreverzibilis), vagy más szóval képlékeny. A rugalmas alakváltozást létrehozhatja a húzóerő hatására fellépő húzófeszültség (ζ), vagy a nyíróerő hatására fellépő nyírófeszültség (η).
Az alakváltozás akkor lesz képlékeny, ha a nyíróerő hatására fellépő nyírófeszültség (η) nagyobb lesz mint az elméleti szilárdsági érték (ηmax).
Rugalmas alakváltozás Anyag ζ
ζ
ζ=E·ε
Hooke törvény η
η
η=G·γ
E G GPa GPa
Al
72
27,6
Cu
110
43,5
Szénacél
210
80
Krómacél
193
65,5
Titán
117
45
Volfram
400
157
E = rugalmassági modulusz ε = fajlagos nyúlás G = rugalmassági modulusz γ = szögelforduláás
Képlékeny alakváltozás csúszási sík
alap
rugalmas
rugalmas + képlékeny
Elméleti szilárdság a köbös rendszerben
képlékeny
Τ max =
G 2•π
Az elméleti és a kísérleti szilárdsági értékek között eltérés van, amelynek okai a rácsrendezetlenségek Anyag
G (GPa)
Telm (GPa)
T kís (MPa)
Telm / Tkis
Fe Al
81,4 26,4
13 4,2
27 0,98
440 4230
Tökéletes felépítésű, hibamentes rács nincs! A hibák keletkezésének okai: – Szabálytalan kristálynövekedés: A dermedés során kristályosodási középpontok (elemi cellák) alakulnak ki, majd ezek körül jönnek létre a szabályos elrendezésű, de különböző irányú krisztallitok. A krisztallitok gátolják egymást a növekedésben, ezért a szemcsehatárok rendezetlenek lesznek. – Idegen atom jelenléte a rácsban (ötvöző, szennyező) – Saját atom a szokásostól eltérő helyen
– Hőkezelés és képlékeny alakítás
Rácshibák jelentősége, típusai Miért fontosak a rácshibák? – A rácshibák nagyon kis koncentrációban is gyökeresen megváltoztatják az anyagok tulajdonságait. – A rácshibák nélkül : • • • •
a félvezetők nem működnének a fémek szilárdsága sokkal nagyobb lenne a kerámiák szívóssága sokkal nagyobb lenne a kristályoknak nem lenne színük
A rácshibákat a kiterjedésük alapján három csoportba soroljuk: – Pontszerű hibák (nullméretű hiba) – Vonalszerű hibák (egyméretű hiba, diszlokációk) – Felületszerű hibák (kétméretű hiba, határhiba) – Térfogati hibák
Pontszerű hibák I. A hiba pontszerű, ha az ideális kristály geometriai szerkezetében az egyedi atomok rendje megváltozik. Ez a változás a rácsszerkezet néhány atomátmérőnyi részére korlátozódik, itt torzul a rács. Típusai:
– Üres rácshely (vakcina): a fémkristályban mindig jelen van, hő hatására számuk növekszik (szobahőmérsékleten 1018 atomra jut egy). A kialakulási mechanizmusa: hőre kiszakad egy atom, és diffúziós úton halad a kristályrács belseje felé. Cementálásnál van jelentősége. Előidézheti még: képlékeny alakváltozás, neutron becsapódás.
Pontszerű hibák II. – Saját atom intersztíciós (beékelt) helyzetben: a kialakulási mechanizmusa, egy atom kilép a megszokott helyéről (A) és a diffúziós folyamat végén más helyen beékelődik egy elemi cellába (B). Körülötte torzul a rács.
– Idegen atom szubsztituciós (helyettesítés) helyzetben: egy adott rácspontban valamilyen idegen atom (kisebb vagy nagyobb lehet) a rács egy atomját helyettesíti. A rács mindegyik esetben torzul!
Pontszerű hibák III. – Idegen atom intersztíciós (beékelt) helyzetben: A kialakulási mechanizmusa: a fémrácsban lévő atomok nem töltik ki teljesen a rendelkezésükre álló teret, így az idegen atom a rács atomjai közötti hézagokban tud elhelyezkedni. Csak kis atomátmérőjű elemeknél van erre lehetőség (C, H, O).
Vonalszerű rácshibák I. Olyan kristályhiba, amely a rács atomjainak egész sorára kiterjed ki és a kristály elcsúszott és el nem csúszott részének a határát adják. A fémek alakíthatóságában döntő szerepet játszik. Típusai: – Éldiszlokáció:
csúszási sík extrasík
Vonalszerű rácshibák I. – Csavardiszlokáció:
– Vegyes diszlokáció
Felületszerű rácshibák Kétdimenziós határok, amelyek olyan tartományokat választanak el, amelyek két oldalán különböző orientációjú, illetve különböző rácsszerkezetű részek találhatók. A felületre merőleges kiterjedése néhány atomátmérőnyi. A hiba lehet kristályszerkezettől független és függő. –
–
Rácstól független: • Kristályfelület • Szemcsehatár • Szubszemcsehatár • Általános fázishatár Rácstól függő: • Rétegződési hiba • Összefüggő fázishatár • Ikerkristály határ
szemcsehatár
ikerkristály
Az atomok a rácsszerkezetben rezgő mozgást végeznek. – Olvadáskor a hő hatására mozgásuk amplitúdója annyira megnő, hogy kiszakadnak a rácsból és az anyag folyékonnyá válik. Q = c · m · (t2 – t1) • Q = az a hőmennyiség, amely az adott tömeget t1– ről, t2– re hevíti • c = az anyag fajhője • m = a test tömege
– Dermedéskor a mozgás lelassul és néhány atom összekötődéséből kristálycsírák (kristályosodási középpontok) alakulnak ki. Körülöttük elkezdenek duzzadni a kristályok, amelyek szabálytalan határfelülettel összeérnek. Az így kialakult tovább már nem növekvő kristályokat krisztallitoknak nevezzük.
Színfém lehűlési görbéje T, C0
dermedés kezdete
• Az olvadás és dermedés azonos hőmérsékleten, TD és Δt idő alatt megy végbe.
TD
szilárd
pépes
ömledék
Δt
TSZ
dermedés vége
• Gyors hűtéssel hűtéssel durva keletkezik.
finom, míg lassú szemcseszerkezet
t, s krisztallit határ krisztallit
A színfémeket mechanikai, fizikai és kémiai tulajdonságainak javítása érdekében ötvözik. Egy új tulajdonságokkal rendelkező anyagot állítanak elő. Az ötvözet legalább látszatra egynemű, fémtermészetű anyag, amelyet két vagy több anyag összeolvasztásával nyerünk. A legnagyobb mennyiségben előforduló elem az alapfém. Alkotó elemei többnyire fémek (Fe, Cu, Cr), de lehetnek fémekhez közelálló elemek (C, Si), vagy nemfémes elemek (S, P), sőt gázok (H, N) is. Az ötvözet lehet: szilárd oldat, fémes vegyület és eutektikum.
Ötvözetek lehűlési görbéje T, C0
dermedés kezdete
dermedés vége
TDk TDv
• Az olvadás és dermedés nem azonos hőmérsékleten, hanem ΔT hőmérséklet közben és Δt idő alatt megy végbe. szilárd
pépes
TSZ
ömledék
Δt
t, s alapfém ötvözőfém
Szilárd oldat I. Rendszerint kétalkotós kristályos fázis, amelynek alkotói közös rácsszerkezetbe illeszkednek a megszilárdulás után úgy, hogy az alkotók nem különböztethetők meg egymástól, homogén krisztallitokat alkotnak. A közös rácsszerkezet az alapfém rácsszerkezetével lesz azonos: – Cu (lapközepes) – Al (lapközepes) = akkor az ötvözet lapközepes
– Cu (lapközepes) – Sn (tetragonális) = akkor az ötvözet lapközepes
A dermedés meghatározott hőközben hőmérsékleten mint a színfémeknél.
történik,
nem
azonos
Szilárd oldat II. Kétféle módon jöhet létre: helyettesítéssel vagy beékelődéssel: – helyettesítéssel (szubsztituciós): az alapfém elemi cellájának egyes atomjait az ötvöző fém atomjai helyettesítik • korlátlan oldódás: azonos rácstípus, az elektrokémiai sorozatba ne álljanak messze egymástól, atomsugár különbség kisebb mint 15%, azonos számú elektront adjanak le • korlátolt oldódás: ha az előző feltételek csak részben teljesülnek
– beékelődéssel (interszticiós): az alapfém elemi cellájának atomjai közötti térben helyezkednek el az ötvöző fém atomjai • korlátlan oldódás: 0–100%, kis rendszámú elemek (H, B, O, N), r<10-10 • korlátolt oldódás: az oldóképesség felső határát telített oldatnak nevezzük
Fémes vegyület Két vagy többalkotós kristályos fázisok, amelynek alkotói közös kristályrács szerkezetbe illeszkednek, de ez a szerkezet független az alkotók rácsszerkezetétől. Az alkotók aránya már állandó és jellemző a vegyületre.
Megszilárdulásuk a színfémekhez hasonlóan állandó hőmérsékleten történik. Típusai: – ionvegyület: az olvadáspont magas, kismértékben vagy egyáltalán nem oldódnak egymásban az összetevők – elektronvegyület: az olvadáspont az alkotók olvadáspontjai közé esik, nagyobb mennyiségben is képesek oldani egymást – intersztíciós vegyület: oldóképességük igen kicsi, gyakorlatilag állandó
Állapotábra szerkesztés C0
C0
1453
A
likvidusz pépes
olvadék
szilárd 1083
Cu 0% 25% Ni 100% 75%
B szolidusz
50% 50%
75% 100% 25% 0%
t 0%
50%
100% %
Jellegzetes állapotábrák I. Ömledék és szilárd állapotban korlátlanul oldódnak, a kialakult ötvözet kizárólag szilárd oldatot alkot. C0
ömledék
1
1453 pépes 1083
szilárd
Ni 100%
Cu 100%
%
Jellegzetes állapotábrák II. Ömledék állapotban korlátlanul oldódnak, míg szilárd állapotban nem oldódnak. C0 232 139
H C
Sn 100% 100% 0%
Sn
100% 0% Sn 100% 0% Sn kristály
primer Sn
primer Bi
E
Bi 58% ömledék
eutektikum
G
271 200
F
Bi 100%
%
Bi
fázisdiagram 200 C0
Bi
fázisdiagram 0 C0
Bi kristály
szövetdiagram
Jellegzetes állapotábrák III. Ömledék állapotban korlátlanul oldódódnak, míg szilárd állapotban korlátozottan. C0 950
1
2
H
C α
G
ömledék
ömledék + Ag 651
3
E
ömledék + Ge
950
F
Ge 6,5% Ge 18,5%
Ag + Ge
Ge 4%
D Ag 100%
α = szilárd oldat mező
% Ge 100%
Vas - szén ötvözetek A vas (Fe) legfontosabb ötvözője a szén (C), amellyel ömledék állapotban korlátlanul oldódik, míg szilárd állapotban korlátozottan oldódik. Az ötvözéshez a szenet a nagyolvasztóban a kokszból veszi fel. Az ötvözet mindig több szenet tartalmaz, mint amennyivel szobahőmérsékleten szilárd oldatot képezne. A szén kétféle formában fordulhat elő: – szabad tiszta szén = grafit: kis szilárdságú, lágy anyag, képlékenyen nem alakítható – kötött fémes vegyület = vaskarbid (Fe3C), neve cementit: kemény, rideg
Az egyensúlyi diagram vizsgálatánál ezért meg kell különböztetni a karbidrendszert (Fe - Fe3C) és a karbonrendszert (Fe - C).
Fe – Fe3C egyensúlyi diagram C0 1538
A
0,3%
N
770 727
I
H
D
E
γ
1148 911
0,3%
B
δ 1394
5%
3%
1,2%
G
F
Acm A1
S
K
α
Q
0,02 0,77
Fe %
1,2% 3% 5%
A3
O
M P
C
1227
2,11
4,3
Szövetelemek
6,67
Fe3C %
Egyensúlyi diagram elemzése I. A likvidusz az A, B, C, D pontokon áthaladó görbe. A szolidusz az A, H, I, E, C, F, D pontokon áthaladó görbe. A tiszta vas lehűlése során a rácsszerkezet átalakul, ezért szilárd állapotban három egyfázisú (homogén) szövetelem található: – az A, H, N pontok között, 1538 - 1394 C0 hőmérséklet tartományban térközepes köbös δ – vas, a szénoldóképessége max. 0,09 % – az N, I, E, S, G pontok közötti allotróp átalakulás révén 1394 - 911 C0 hőmérséklet tartományban lapközepes köbös ausztenit (γ – vas) szilárd oldat jön létre, a szénoldóképessége max. 2,11 % 1148 C0-on, lágy jól alakítható, nem mágnesezhető – a G, P, Q pontok között ez az állapot nem marad meg, ugyanis 911 C0 hőmérséklet alatt ismét térközepes köbös szilárd oldat ferrit (α – vas) lesz, a szénoldóképessége maximum 0,0218% 727 C0-on
Egyensúlyi diagram elemzése II. –
–
a 770 C0 - on található M, O vonalig (Curie hőmérséklet) a ferrit mágnesezhető (ferromágneses), ennél magasabb hőmérsékleten nem mágnesezhető (paramágneses) negyedik szilárd fázis lehetne az Fe3C, de csak 6,67% széntartalomnál ad homogén ötvözetet
Ha C < 2,11 % - nál vas - szén ötvözeteket acéloknak, míg a nagyobbakat nyersvasnak (öntöttvas) nevezzük. A C pont két likvidusz ág találkozási pontja 4,3% C tartalomnál és 1148 C0 hőmérsékleten, itt ledeburit elnevezésű eutektikum képződik, amely vaskarbidból (FeC3) és ausztenitből (γ) áll, kemény képlékenyen nem alakítható ötvözet – –
ha a széntartalom 2,11 - 4,3 % között van hipoeutektikus öntötvasról ha a széntartalom 4,3 – 6,67 % között van hipereutektikus öntötvasról
Egyensúlyi diagram elemzése III. Az S pont két korlátozott oldóképességet jelölő görbe találkozási pontja 0,77 % C tartalomnál és 727 C0 hőmérsékleten, itt perlit elnevezésű eutektoid képződik, amely ferritből (α) és cementitből áll, képlékenyen alakítható, szilárdsága nagyobb mint a ferrité – ha a széntartalom 0,0218 – 0,77 % között van hipoeutektoidos ötvözet – ha a széntartalom 0,77 – 2,11 % között van hipereutektoidos ötvözet
eutektoid
eutektikum
0,3% C tartalmú acél lehűlése 1.
a likvidusz felett ömledék
2.
a likvidusz és a szolidusz között γ kiválás: γ + ömledék
3.
a szolidusztól a GOS (A3) vonalig tisztán γ található
4.
a GOS (A3) vonal alatt megkezdődik a γ→α átalakulás, amely során ferrit válik ki és tart egyensúlyt az ausztenittel A1 hőmérsékletig: ferrit + ausztenit
5.
az A1 (727 C0) hőmérséklettől a maradék ausztenit perlitté alakul, a további lehűtés során alacsony karbonkoncentrciójú tercier cementit válik ki
A hipoeutektoidos acélok: ferrit, perlit és tercier cementit szövetelemekből állnak.
1,2% C tartalmú acél lehűlése 1.
a likvidusz felett ömledék
2.
a likvidusz és a szolidusz között γ kiválás: γ + ömledék
3.
a szolidusztól az ES (Acm) vonalig tisztán γ található
4.
az ES (Acm) vonaltól secunder cementit válik ki, így itt γ + secunder cementit található
5.
az A1 hőmérséklettől lefelé megindul a γ→α átalakulás további secunder cementit kiválás közben, eredménye: perlit + secunder cementit
A hipereutektoidos acélok: perlit és secunder cementit szövetelemekből állnak.
3% C tartalmú nyersvas lehűlése 1.
a likvidusz felett ömledék
2.
a likvidusz és az 1147 C0 között γ kiválás: γ + ömledék
3.
1147 C0 és az A1 hőmérséklet között ledeburit
4.
–
ledeburit: telített ausztenit és eutektikum
–
eutektikum: ausztenit és cementit
az A1 hőmérséklettől lefelé megindul a γ→α átalakulás, nagyobb karbontartalmú cementit kiválás közben, eredménye: perlit + secunder cementit
A hipoeutektikus öntöttvasak: perlit, ledeburit és secunder cementit szövetelemekből állnak.
5% C tartalmú nyersvas lehűlése 1.
a likvidusz felett ömledék
2.
a likvidusz és a szolidusz (1147 C0) között diffúzió révén primer cementit válik ki: ömledék + primer cementit
3.
az 1147 C0 és az A1 hőmérséklet között ledeburit és primer cementit alakul ki
4.
A1 hőmérséklet alatt már változás nem történik
A hipereutektikus öntöttvasak: ledeburit és primer cementit szövetelemekből állnak.
Szövetelemek elhelyezkedése C0 1538
A
B
δ 1394
N
ömledék
I
H
D
γ + ömledék
770 727
M P
α
Q
G
O α+perlit+terc.cem.
911
E
γ
1148
S
γ + sec. cem.
perlit + sec. cem.
0,02 0,77
2,11
C
1227
primer cem. + öml.
F
primer cem. + ledeburit
γ + ledeburit + sec. cem.
K
perlit + ledeburit + sec. cem.
primer cem. + ledeburit
4,3
6,67
Szövetelemek tulajdonságai Ausztenit (γ) lapközepes, intersztíciós szilárd oldat lágy, jól alakítható, nem mágnesezhető
Ferrit (α) térközepes köbös intersztíciós szilárd oldat lágy, jól alakítható adott hőmérsékleti mágnesezhető (774 C0)
Cementit (Fe3C) Fe3C intersztíciós vegyület kemény, rideg, nem alakítható
Perlit ferritbe ágyazott cementit lemezkék
képlékenyen alakítható
Izotermikus átalakulás Az egyensúlyi diagram szövetelemei lassú hűtéssel alakulnak ki, a gyártásban ez költséges lenne. Évszázadok óta a vastárgyak tulajdonságait úgy változtatták meg, hogy 800–900 C0 közé hevítették, majd gyorsan lehűtötték.
Ezzel az eljárással merőben más tulajdonságú szövetelemeket lehetett előállítani (bainit, martenzit). Izotermikus átalakulási diagram szerkesztése: – azonos próbatesteket különböző hőmérsékletekre hűtöttek és ott hőn tartották – így megkapták az ausztenit átalakulásának kezdő és végpontját – a pontokat összekötve „C” alakot kaptak, innen az elnevezés – a hűtéskor két jelenség játszódik le: diffúzió és γ→α átalakulás
C görbe szerkesztése C0 A3 A1
Pk
Bk
Pv
Bv
Mk
Mv 0
1
101
102
103
104
log t
Lehűlési sebesség C0 A3 A1
• v hűtés < v krit. alsó ausztenit → perlit • v hűtés > v krit. felső ausztenit → martenzit • v krit. alsó < v hűtés < v krit. felső mindkettő
Mk Mv
v krit. felső
v krit. alsó
log t
Mag és felszín hűlése C0
belső rész lehűlési sebessége A3 A1
Más szövetszerkezet alakulhat ki a magban a kéreghez képest!
MK MV
külső rész lehűlési sebessége log t
Perlites átalakulás A perlit kialakulása az A1 és 550 C0 között megy végbe. Diffúziós folyamat, elsődleges az Fe3C diffúziója és másodlagos a γ→α átalakulás. Cementit csírák alakulnak ki az ausztenit határain, a diffúzió révén cementit korongokká válnak, ezért lemezes szerkezetű kétfázisú szövetelem lesz a perlit. Minél alacsonyabb hőmérsékleten megy végbe annál nagyobb lesz a szilárdsága. Gyors hűtéssel finomítani lehet a szemcseméretet, így nő a szilárdság, de csökken a nyúlás (sorbit, troostil). Fe3C lemezek ferrit (α) lemezek
Bainites átalakulás A bainit kialakulása 550 C0 és 250 C0 között játszódik le. Szintén diffúziós folyamat, de ebben a γ→α átalakulás az elsődleges és az Fe3C diffúziója a másodlagos. Az ausztenit szemcsék határán ferritcsírák jelennek meg és belőlük tűs kristályszerkezet és cementit korongok halmaza alakul ki, amely kétfázisú szövetelem. Szilárdsága nagyobb, nyúlása kisebb mint a perlité. Minél alacsonyabb hőmérsékleten megy végbe annál nagyobb lesz a keménység.
Martenzites átalakulás A gyors lehűlés miatt csak γ→α átalakulás van, mert ennek az átalakulásnak igen kicsi az időszükséglete, a diffúzió ilyen rövid idő alatt nem tud végbemenni, ezért ez az átalakulás diffúzió mentes. Az átalakulás során beékelődő szén atomok tetragonálissá torzítják a térközepes köbös rácsot, az így kialakult feszültséget az Mk alatti hőntartással lehet csökkenteni az anyagban.
Ez a szövetelem egyfázisú, keménysége a széntartalomtól függ. Igen kemény, rideg nem alakítható.
durvaszemcsés
finomszemcsés
Diagramok
A torzítás mértéke az ausztenit C tartalmának függvénye
A torzulás nagy belső feszültséget eredményez, ami a martenzitet nagyon keménnyé, rideggé teszi.
