A fémes ötvözetek

1. FÉMTAN, ANYAGVIZSGÁLAT 2011_10_11 2011_10_18 2 A fémes ötvözetek 2.1 A fémes ötvözetek jellemzői 2.1.1 Az ötvözet fogalma, fázisai 2.1.2 Az ötvözet szövetelemei 2.1.3 A Gibbs-féle fázisszabály 2.2 Az egyensúlyi állapotábrák 2.2.1 Az egyensúlyi állapotábrák felvétele 2.2.2 A fázisok összetételének és mennyiségének meghatározása 2.2.3 A kétalkotós ideális egyensúlyi diagramok 2.2.3.1 A korlátlan szilárd oldat 2.2.3.2 Az eutektikus rendszer 2.2.3.3 A korlátozott oldhatóságot mutató eutektikus rendszer 2.2.3.4 A peritektikus rendszer 2.2.3.5 Vegyületképződés adott összetételnél vagy koncentráció tartományban 2.2.4 Általános diagram olvasási szabályok A fémes ötvözetek

2. 2 FÉMES ÖTVÖZETEK 2.1 Az ötvözetek jellemzői 2.1.1 Az ötvözet fogalma, az ötvözet fázisai Az ötvözetek nagyrészt fémes tulajdonságokat mutató anyagok, melyek legalább két alkotóból állnak. A fémek ötvözeteket  fémekkel,  metaloid elemekkel,  nem fémes elemekkel képeznek. A komponensek számától függően az ötvözetek  két- (binér),  három- (ternér) vagy  többalkotós ötvözetek. Adott komponensek alkotta ötvözetek összessége az ötvözetrendszer. Ha az ötvöző teljesen oldódik az ötvözöttben az ötvözet egyfázisú. Az egyfázisú ötvözetek tulajdonságai és viselkedése a színfémekéhez hasonló. Az ötvöző és ötvözött korlátozott oldódása esetén az ötvöző az alapfémmel második fázist hoz létre. (A fázisok az ötvözetek önmagukban homogén, egymástól fizikai módszerekkel elkülöníthető részei.) Az ötvözetek fázisai általában  szilárdoldat és  vegyület. Amennyiben az ötvöző és ötvözött szilárd állapotban egyáltalán nem oldják egymást úgy a  színfém is. A fémes ötvözetek

3. 2.1.2 Az ötvözetek szövetelemei  Az ötvözetek tulajdonságait a fázisok megjelenési formája határozza meg.  A dermedéskor és átkristályosodáskor kialakuló, azonos tulajdonságú részek a szövetelemek.  Homogén szövetelemek  a színfém,  a szilárdoldat és  a vegyület.  Heterogénkét vagy több kristályos fázisbólfelépülő szövetelemek  az eutektikum és  az eutektoid. Az eutektikum az ötvözet folyékony olvadékából dermedő két vagy több fázis alkotta szövetelem. A lemezes eutektikumban a különböző fázisok rétegesen rendeződve alkotják a krisztalitokat. A szemcsés eutektikumban az egyik fázis összefüggő alapanyagába ágyazódnak a második fázis szemcséi. Az eutektoid telített szilárd oldatból létrejövő két vagy többfázisú szövetelem. Szerkezetét tekintve szintén lehet szemcsés vagy lemezes. A fémes ötvözetek

4. A szilárd oldat A fém és az oldott anyag atomjai közös kristályrácsban foglalnak helyet. Amennyiben az oldódó atom  a rácsot felépítő fématom helyére épül be - helyettesítéses szilárdoldatot  az atomok közti üres rácshelyet foglalja el – beékelődéses szilárdoldatot hoz létre. A helyettesítéses – szubsztitúciós szilárd oldat képződésének feltétele  az ötvöző és ötvözött atomsugarai közel egyenlők, (ha az atomok különbsége maximum 15% a két anyag korlátlan oldódhat)  az ötvöző és ötvözött a periódusos rendszerben közel áll egymáshoz, (az atomszerkezetük közel hasonló)  az ötvöző és ötvözött vegyrokonsága nem léphet túl egy határt,  az ötvözött és ötvöző térrácsa azonos. • A beékelődéses – intersztíciós szilárdoldatban • az oldott atom átmérője kellően kicsi.  a beékelődéses atomok eloszlása lehet egyenletes, vagy koncentrálódó. (A rendezetten beékelődő atomok kisebb feszültségnövekedést idéznek elő.) A fémes ötvözetek

5. A fémvegyület A fémvegyületeket két vagy több komponens alkotja. Az atomok ill. ionok közös rácsban rendeződnek. A közös rácsszerkezet független az alkotók rácsszerkezetétől. A fémvegyületek  ionvegyületek,  elektronvegyületek, intersztíciós vegyületek. Az ionvegyületek fémek valamint nemfémes, átmeneti és metaloid elemek között jönnek létre. Az ionvegyület kristályok (MgSi, ZnS, FeS, stb.):  stabilak,  nehezen olvadók,  nagyon kemények. A fémes ötvözetek

6. Az elektronvegyületet nehezen olvadó egy vegyértékű fémek és átmeneti elemek alkotnak könnyen olvadó fémekkel. Az elektronvegyületekre a rácsba beépülő atomok (a) valamint a vegyértékelektronok aránya (e) a jellemző: e/a= 3/2 CuZn e/a=21/13 Cu5Zn8 Az elektronvegyületek  kevésbé stabilak,  viszonylag könnyen olvadók,  keménységük az ionvegyületeknél alacsonyabb. A Laves fázist alkotó fémek atomátmérőjének viszonya ~ 1,2 , az összetételük A2B. A fémes ötvözetek

7. Az intersztíciós vegyületek elsősorban karbidok, nitridek, karbo-nitridek, boridok, Az intersztíciós vegyületet képző elemek a Fe, Cr, Mo, V, Nb, Ta, W, Ti, Zr. A nagy atomátmérőjű karbidképzők Mo, Ta, Nb, Zr, W, Ti nagy helyet biztosítanak az intersztíciósan oldódó atomok számára. A képződő vegyületek struktúrája egyszerű: MX, M2X, M4X, stabilitásuk nagy. A kisatomátmérőjű karbidképzők Cr, Fe, Mn esetében a rácsban rendelkezésre álló hely túl kicsi. A képződő rács-módosulat bonyolult. Ezek a karbidok kevésbé stabilak. Gyakoriak a vegyes-karbidok. a vaskarbid - Fe3C szerkezete A fémes ötvözetek

8. Az ötvözetek dermedésekor és átkristályosodásakor keletkező fázisokról, a fázisok megjelenési formájáról az állapotábrák adnak információt. • Az ötvözetrendszer állapotát az állapottényezők a koncentráció, a hőmérséklet és a nyomás jellemzik. A rendszer szabadságfoka, azon állapottényezők számát jelenti, melyek adott határon belül változtathatók anélkül, hogy a rendszer egyensúlya változnék, új fázis jelenne meg, vagy tűnne el. •  Az állapotábrák a hőmérséklet T[°C] és a koncentráció függvényében adnak áttekintést az adott ötvözetrendszer (A-B,0-100%) ötvözeteinek az állapotváltozásáról. • Az állapotváltozások vizsgálata termodinamikai egyensúlyban történik. 2.1.3 A Gibbs - féle fázisszabály A termodinamikai egyensúlyban lévő ötvözetek komponensei, fázisai és a szabadságfokai közti összefüggést a Gibbs-féle fázishatár fémekre alkalmazott alakja fogalmazza meg: F+SZ=K+1 F:a fázisok száma, SZ: a szabadságfokok száma, K: a komponensek száma Az egyensúlyban lévő ötvözetben a fázisok és a szabadságfokok száma eggyel több mint a komponensek száma. A fémes ötvözetek

9. 2.2 Az egyensúlyi állapotábrák c1 2.2.1 Az egyensúlyi állapotábrák felvétele C0=100%A c1 C0=100%B C0=100%A c1 c2 C0=100%B c2 A fémes ötvözetek

10. 2.2.2 A fázisok összetételének és mennyiségének meghatározása 1 kg ötvözet Ti hőmérsékleten x kg szilárd (1-x) kg folyékony fázist tartalmaz. B mennyisége  1 kg ötvözetben bx1, [kg] ,  szilárd részben (b-c)x, [kg],  az ömledékben (b+d)(1-x), [kg], B alkotó mennyisége a folyékony és szilárd fázisban lévő B alkotó egyenlő az ötvözet B mennyiségével. (bx1)=(b-c)x+(b+d)(1-x), [kg],  a szilárd fázis mennyisége  a folyékony fázis mennyisége c d b

11. 2.2.3 A kétalkotós ideális egyensúlyi diagramok – a Tamman féle állapotábrák A gyakorlati diagramok szerkezetében jellegzetes ismétlődő elemek vannak. Ezekre típusdiagramokat dolgoztak ki, melyek ismeretében bármely gyakorlati ötvözetrendszer olvasható! 2.2.3.1. A korlátlan szilárd oldat TAMMAN 6 A két alkotó folyékony és szilárd állapotban korlátlanul egymást Fémes anyagok Ötvözetei

12. Az egymás után dermedő rétegek koncentráció különbsége diffúzióval egyenlítődik ki. A fémes ötvözetek

13. a diffúzió A diffúzió atomok, ionok, molekulák helyváltoztatása A diffúzió két fajtája a szilárd halmazállapotú fémes anyagban:  a saját atomok elmozdulása a térrácsban, az öndiffúzió.  a rácsszerkezetbe intersztíciósan vagy szubsztitúciósan beékelődő atomok diffúziója. A diffúziós folyamatok sebességét a FICK-féle egyenletek írják le. 1. FICK egyenlet 2. FICK egyenlet c2> c1 c: koncentráció x: távolság A: felület D: diffúziós tényező m: tömeg t: idő koncentráció C1 koncentráció C2 c: koncentráció x: távolság t: idő A felület x A fémes ötvözetek

14. 2.2.3.2 Az eutektikus rendszer TAMMAN 1 A két alkotó folyékony állapotban korlátlanul, szilárd állapotban egyáltalán nem oldja egymástegymást, adott összetételnél eutektikumot alkot. A fémes ötvözetek

15. TB növekvő A% ill. TAB% mellett csökken • összetételtől függően dermedéskor tiszta A vagy B válik ki. • Az olvadék A ill. B tartalma folyamatosan csökken, • TA és TB egy pontbanaz TE az eutektikus pontban metszik egymást. • T=TE izoterma az eutektikális. Az eutektikus összetételű olvadék cE állandó hőmérsékleten kétfázisú szövetelemmé eutektikummá dermed. olvE=A+B Az alacsony hőmérsékleten sok kristálycsíra képződik. A kristályos tartományok meghatározott kristálytani orientációt mutatnak. Az egyensúlyi körülmények között dermedő eutektikum finom szerkezetű. A fémes ötvözetek

16. Irodalom: Dr Zorkóczy Béla: Metallográfia és anyagvizsgálat 72-87 old. Tankönyvkiadó 1975 Berke-Győri Kiss Szerkezeti anyagok technológiája I. Műegyetem Közlekedésmérnöki Kar Jegyzete Műegyetemi Kiadó 1998 47-58 old. előadás kézirat FÉMES ANYAGOK SZERKETETE