Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2014/15
Különleges anyagok
Dr. Szabó Péter János
[email protected]
Az előadás során szó lesz • a szemcsehatárok szerepéről a polikristályos anyagok károsodásában • az alakemlékező ötvözetekről • az üvegfémekről • a korrózióról
Fémek tulajdonságait meghatározó tényezők • • • • • • •
Kémiai összetétel Fázisok jellege (szilárd oldat, vegyület, ...) Szemcseméret Szemcseméret-eloszlás Diszlokáció-szerkezet ... Szemcsehatárok tulajdonságai
1
Szemcsehatárok • Véletlenszerű
• „Speciális”
CSL-modell (Coincide Site Lattice)
CSL-határok
2
Határfelületi energia, erg/cm2
Szemcsehatár-energia
Elforgatás szöge
Döntött határ esetén, a forgatás tengelye az <100> ill. az <110>
A szemcsehatár-energia szerepe • Speciális szemcsehatárok energiája kisebb • Ezek mentén a szemcsehatáron támadó károsodási folyamatok (korrózió, szemcsehatár-menti repedés, kúszás) lelassulnak vagy elhalnak • Cél: a speciális szemcsehatárok mennyiségének (ill. arányának) növelése
Termomechanikus kezelés hatása a speciális határok mennyiségére
Kezeletlen
Kezelt
3
Kúszási alakváltozás, %
Példa
Idő, óra
A károsodási folyamat lassítása • „Triple junctions” (hármaspontok) vizsgálata
1 CSL
2 CSL
A károsodási folyamat lassítása
4
Alakemlékező ötvözetek • Adott anyagnak hideg állapotban alakot adunk (pl. egy szalagot gyűrűvé hajtunk). • Ezt követően felmelegítjük egy adott hőmérsékletre. • Az anyag visszaveszi eredeti alakját (a gyűrű ismét szalaggá egyenesedik ki). Legismertebb alakemlékező anyag: NiTiNol
Egyutas alakemlékezés
Kétutas alakemlékezés
5
Martenzites átalakulás Kezdeti homogén fázisból () az átalakulás során homogén fázis (m) keletkezik, csíraképződés nélkül. Nagy lehűlési sebesség esetén jön létre. Diffúzió nélküli átalakulás, a másodperc törtrésze alatt megy végbe.
400
Ausztenit (stabil)A
A
P
0% M 50% M 90% M s
B
A
Ms 200 10-1 10 Martenzit 0.5 mennyisége
1
60 mm
800 T(°C ) 600
Martenzit tűk Ausztenit
103 105
Bain modell -12%
z
zm
rácsparaméter a cm am y
xm +20%
x
ym
szén %
+20%
Az ausztenit f.k.k rácsa tartalmazza a martenzit tetragonális rácsát (kék cella), és meghatározott kristálytani kapcsolat áll fenn a két rács között.
100m 1 10 , 010m 110 , 001m 001
Újdonság • Marteniztes átalakulás nem csak hirtelen hűtés, hanem képlékeny alakítás hatására is bekövetkezhet. • A keletkezett martenzit orientációja és az alakváltozást okozó feszültség iránya között egyértelmű összefüggés van. • Nagy mennyiségű, hasonlóan orientált martenzit keletkezik.
6
Különbségek Acél átalakulása: (nincs alakemlékezés)
NiTiNol átalakulása: (van alakemlékezés)
•nagyobb térfogatváltozás •képlékeny alakváltozás az új fázis körül •kisebb rugalmas energiafelhalmozódás •nagyobb látens-hő felszabadulás
•kisebb térfogatváltozás •nincs képlékeny alakváltozás az új fázis körül •nagyobb rugalmas energia-tárolás •kisebb látens-hő felszabadulás
Alakemlékezés mechanizmusa • A hevítés során a tárolt rugalmas energia hatására beindul a fázisátalakulás. • A martenzit visszaalakul a kiindulási fázissá. • Mindez a minta alakjának változásával jár. Mivel a kiindulási és a martenzitfázis között meghatározott orientációs kapcsolat van, a minta az eredeti alakját veszi fel ismét.
Alakemlékező ötvözetek • • • • •
NiTiNol (Ni-Ti ötvözet) Au-Cd, Ag-Cd ötvözetek Ti-Nb ötvözet Ni-Al ötvözet Fe-Pt ötvözet
7
Alkalmazások megnyújtott gyűrű
hideg
kör keresztmetszetű gyűrű
meleg
Alkalmazások • Orvostechnika: el nem érhető helyeken lévő csontok összekötése • Koszorúér-sztentek • Intelligens szemüvegkeret • Adaptív repülőgép-szárny
Alkalmazások
A hőmérsékletet Joule-hővel változtatják.
8
Fémüvegek • Rövid távú rend: folyadékok • Hosszú távú rend: kristályok • Gyors hűtés: a rövid távú rend „befagyasztható”
Mechanikai tulajdonságok • • • •
Kis ellenállás a nyíróerőkkel szemben. Nagy keménység. Sokkal képlékenyebbek az üvegnél. Szakítószilárdságuk 140-500 MPa (az üvegé elvileg 2500 MPa, de hibák, üregek miatt csak kb. 25 MPa). • Jól hengerelhetők.
Mágneses tulajdonságok • Kiváló lágymágnesek (nincsenek szemcsehatárok és diszlokációk, így a doménfalak könnyen tudnak mozogni).
9
Előállítás • Olvadék állapotból gyors hűtéssel (105 ºC/s). • Hűtött forgó ikerhengerek közötti átfolyatással.
Felhasználás • • • • •
transzformátorok motorok, generátorok toroidok fluxusmérők mágneses jelrögzítő fejek
Lézeres felületkezelés • Lézer → LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) • Nagy energiasűrűségű, koherens, párhuzamos elektromágneses sugárzás. • Lézeres felületkezelés alapfeltétele az abszorpció (pl. alumínium ↔ acél).
10
Alkalmazások • Felülettisztítás (a szennyező és az alapanyag hőtágulási együtthatója jelentős mértékben eltér). • Gravírozás • Lézeres felületedzés • Felületi átolvasztás • Felületi ötvözés
Korrózió IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) A korrózió valamely anyagnak (fémnek, kerámiának, polimernek) a környezetével való irreverzibilis határfelületi reakciója (kölcsönhatása), melynek eredményeképpen vagy az anyag fogy el fokozatosan, vagy a környezet valamely alkotórésze épül be az anyagba. MSZ EN ISO 8044:2003 A korrózió a fém és környezete közötti fizikai-kémiai kölcsönhatás, amelynek következtében a fém tulajdonságai megváltoznak, és gyakran bekövetkezik a fém, a környezet, illetve az ezekből álló műszaki rendszer funkcionális jellemzőinek a romlása. A szerkezeti anyag és a környezet közötti kölcsönhatás szerint megkülönböztetünk: elektrokémiai és kémiai korróziót.
A korrózió alaptípusai • Elektrokémiai korrózió • Kémiai korrózió • Mindkét esetben egy anódós oxidáció és egy katódos redukció történik: – elektrokémiai korróziónál térben elkülönülten – kémiai korróziónál egy helyen
11
Elektrokémiai korrózió •Elektrokémiai korrózió játszódik le, amikor a fém egy ion-vezető közeggel, általában vizes elektrolittal kerül kapcsolatba, melyben a fémionok oldódni képesek. Az alapfolyamat minden esetben legalább egy anódos oxidáció és egy katódos redukció. Katódos redukció: • -hidrogénionok töltésvesztése 2H+ +2e- H2 •
-vízbontás 2H2O + 2e- 2OH- + H2
•
-vízben oldott oxigén redukciója, amely:
Anódos oxidáció: • Me Me2+ + 2e-
– savas közegben (pH7)
O2 +4H+ + 4e- =2H2O – semleges és lúgos közegben (pH≥7)
O2 + 2H2O + 4e- ↔ 4OH-
Elektrokémiai korrózió
Az oxidációs és redukciós folyamat térben elválasztva, egymástól bizonyos távolságban játszódik le, helyi galváncella létrehozásával.
Standardpotenciál • • • •
•
Ha egy fém a saját ionjait tartalmazó oldatba merül, akkor a fémből fémionok lépnek az oldatba, és az oldatból színfém válik ki, egyensúlyi mennyiségben. A fém felülete és az oldat között elektromos potenciálkülönbség jön létre. Ezt a potenciálkülönbséget a hidrogénelektródhoz képest adják meg, ez a normál- vagy standardpotenciál. Azok a fémek, amelyek több iont bocsátanak vizes oldatba, mint a hidrogén, könnyebben oldódnak, és a hidrogénhez képest negatívabb potenciál lesz a felületükön. Ezeknek negatív a standardpotenciáljuk. Azok a fémek, amelyek kevesebb iont bocsátanak vizes oldatba, mint a hidrogén, nehezebben oldódnak, és a hidrogénhez képest pozitívabb potenciál lesz a felületükön. Ezeknek pozitív a standardpotenciáljuk.
12
Standardpotenciál sor Fémek standardpotenciálja 25C-on meghatározva normál hidrogénelektródával szemben
Anód, katód • A standardpotenciál sor lehetővé teszi, hogy termodinamikai szempontból megállapítsuk egy elektrokémiai rendszer esetében az elektródfolyamatok irányát és a rendszer korróziós potenciálját. •
Cu ↔ Cu2+ + 2e
E0 = +0,377 V
•
Zn ↔ Zn2+ + 2e
E0 = –0,763 V
• Elektrokémiai reakció esetén (két fém érintkezésekor) a nagyobb elektródpotenciállal rendelkező fém redukálódni, az alacsonyabb potenciállal rendelkező pedig oxidálódni fog (oldatba megy, vagyis korrodálódik). •
Zn Zn2+ + 2e
OXIDÁCIÓ, ANÓD
•
Cu2+ + 2e Cu
REDUKCIÓ, KATÓD
Elektrokémiai korrózió I Galváncella: Zn → Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e → Cu
13
A galváncella elektromotoros ereje • EZn = - 0,763 V • ECu = + 0,337 V • Ecella = ECu – EZn = 0,337V – (-0,763V) = 1,1 V Minél nagyobb a cella elektromotoros ereje, annál gyorsabban megy végbe az oxidációs/redukciós folyamat. Elektrokémiai korrózió során tehát a fém felületén egy galváncella jön létre.
Kémiai korrózió • A kémiai korrózió a fémek és ötvözetek felületén lejátszódó olyan folyamat, ahol a fém oxidációja és a korróziós közeg oxidáló komponensének redukciója egy lépésben, egy helyen megy végbe.
zMe + x/2O2 ↔ MezOx
Kémiai korrózió •A kémiai korrózióval szemben a különböző ötvözetek érzékenységét, ill. ellenállását a szabadenergia-különbségen kívül elsősorban az szabja meg, hogy a keletkezett vegyület (korróziótermék) képes-e olyan összefüggő, tömör réteget képezni a határfelületen, amely a fémet a külső korrodáló közegtől mintegy elválasztva, csökkenti az eredő korróziós sebességet. •Ilyen esetekben a károsodási folyamat előrehaladását a kémiai reakcióban részt vevő elemek korróziós rétegbeni diffúziós sebessége irányítja. •Az először keletkezett reakciótermékek a változó környezeti feltételek (pl. hőmérséklet-ingadozás) hatására összetételükben és szerkezetükben is megváltozhatnak. Így keletkezik például az acélok revéjének réteges szerkezete.
14
A korrózió megjelenési formái Elektrokémiai korrózió
Kémiai korrózió
• • • • • • •
• • • •
•
Egyenletes korrózió Kettősfém-korrózió Réskorrózió Lyukkorrózió Kristályközi korrózió Szelektív korrózió Mechanikai igénybevétellel párosuló korrózió (eróziós, ütközési és kavitációs korrózió, berágódásos, vagy tribológiai korrózió) Feszültségkorrózió (beleértve a korróziós kifáradást)
Nagy hőmérsékletű korrózió, Sóolvadékban lejátszódó korrózió Folyékony fémekben bekövetkező korrózió
Egyenletes korrózió
Az anódos és katódos részreakciók a felületen vándorló anódos és katódos jellegű területeken váltakozva mennek végbe → egyenletes fogyás
Egyenletes korrózió
Rozsdával szennyezett acél (helyi galváncella)
15
Lokális korrózió
Az anódos és katódos reakciók létrejöttének valószínűsége nem azonos a felület minden pontján.
Kettősfém korrózió helyi galváncella
nemesebb fém
alapfém
Kettősfém-korrózió
A rács ötvözetlen acélból, a cső korrózióálló acélból készült A csövön lévő pittingek Cl- hatására jöttek létre
16
Réskorrózió
anódreakció: MM+ + ekatódreakció: O2 + 2H2O + 4e-4OH-
A résben lecsökken az oxigénkoncentráció, így a pozitív töltéstöbbletet a jelenlévő Cl- ionok kompenzálják. M+Cl- + H2OMOH↓ + H+ClSósav keletkezik, amely további korróziót generál.
Kristályközi korrózió
Kristályközi korrózió • A krisztallithatáron lévő, a kristályosodás utolsó részfolyamatában megdermedt, kis olvadáspontú, nagy rácshiba-sűrűségű, a krisztallit anyagánál legtöbbször elektropozitívabb szennyeződés (pl. króm-karbid) sok esetben hajlamos elektrokémiai oldódásra, miközben a krisztallitok közötti szilárdtest kapcsolat lényegében megszűnik • Erősen hajlamosak a kristályközi korrózióra a ferrites és ausztenites rozsdamentes acélok • Védekezés: meg kell akadályozni a karbon szemcsehatár-menti kiválását, pl. Ta, Ti vagy Nb stabilizátorokkal
17
Feszültségkorrózió
Feszültségkorróziós repedések hegesztési varrat környezetében Szénacél, 15 év üzemi idő, gáztalanító
A feszültségkorrózió kialakulásának feltételei • a szerkezeti anyag hajlamossága • a korróziós közeg, amely ezt a fajta korróziót képes kiváltani • elegendő nagyságú mechanikai húzófeszültség jelenléte • elegendő idő (az inkubációs idő akár több hónap is lehet)
Feszültségkorrózió
Szénacél lúg hatására bekövetkező szemcsehatármenti korróziója
18
Feszültségkorrózió
Interkriasztallin repedésterjedés
Transzkriasztallin repedésterjedés
Nagy hőmérsékletű korrózió
Hidrogén hatására bekövetkező, nagy hőmérsékletű korrózió Perlit kiválás és mikrorepedések a szövetszerkezetben (szénacél)
19
