Kémia | Felsőoktatás » Anyagtan

Anyagtan Tiszta fémes kötés: Azonos atomok alkotnak kristályrácsot, ahol az atomok ionos formában vannak jelen.Körülöttük a valencia (vegyérték) elektronok ködöt, felhőt alkotnak. Az összetartó erő tisztán elektromos jellegű Szabad elektronvándorlás valósul meg az iontörzsek között. Ebből következik a jó elektromos és hővezetés, jó alakíthatóság. Kristályosodás: Olvadék I „Pontsor” létrejötte Az atomok összetapadnak fonallá. II „Síkrácsok” létrejötte III Térrácsok létrejötte Ezek a képződmények sok helyen több irányba növekedve jönnek létre. krisztallit: Fém, fémötvözet látszatra homogén, egynemű. Mikroszkópos megfigyelés „szemcsés” Minden szemcse egy-egy kristály Szemcsehatár szabálytalan alakzat. -Makroszerkezet (szemmel látható): d > 0,1mm Mikroszerkezet (fénymikroszkópos): 0,1μm < d <0,1mm Szubszerkezet (elektronmikroszkópos): Azt a legkisebb részletet, amelyből a

kristályosodási formára jellemző összes tulajdonság felismerhető, elemi cellának nevezzük. Kristályformák csoportosítása BRAVAIS szerint: TRIKLIN α ≠ β ≠ γ ≠ 90° °a ≠ b ≠ c MONOKLIN α = β = 90° ≠ γ a≠b≠c HEXAGONÁLIS α = β = 90° γ = 120° a=b≠c ROMBOÉDERES α = β = γ ≠ 90° a=b=c ORTOROMBOS α = β = γ = 90° a≠b≠c TETRAGONÁLIS α = β = γ = 90° a=b≠c SZABÁLYOS KOCKA α = β = γ = 90° a=b=c Koordinációs szám „K”: Megadja, hogy egy atomnak hány közvetlen szomszédja van. Térkitöltési tényező „T”: T= Az elemi cellában lévő atomok térfogata Az elemi cella térfogata Térben középpontos kockarács: A rácselemben lévő atomok száma: szám:K=8 Térkitöltési tényező: T= 2 ⋅Vatom = a3 2⋅ 1 z = 8⋅ +1 = 2 8 Koordinációs 4r 3π 3 = 0,68 (68%) a3 Az üres hely sugara: r 0 =0,126a T.KK Az üres rácshelyre illesztett legnagyobb átmérőjű gömb középpontja: 1 a; 1 a; 0 Az üres

rácshelyre illesztett legnagyobb sugara. a 5 a 3 r0 = 4 − 4 átmérőjű gömb sugara: r 0 =d-r 2 4 r: az atom = 0,126a Felületen középpontos kockarács: A rácselemben lévő atomok száma: Koordinációs szám: K=12 Térkitöltési tényező: T= 4 ⋅ Vatom = a3 4⋅ 4r 3π 3 = 0,74 a3 1 1 z = 8⋅ + 6⋅ = 4 8 2 (74% ) r 0 =0,1465a :a legnagyobb üres hely sugara F.KK Az üres rácshelyre illeszkedő legnagyobb átmérőjű gömb középpontja: 1 a; 1 a; 1 a Az üres rácshelyre illeszkedő gömb sugara: r 0 =d-r r: az atom sugara r = a − a 2 = 0,1465a 0 -1- 2 4 2 2 2 F.KK rács esetén a legnagyobb üres hely nagyobb mint a TKK Az austenit (γ-vas: F.KK) ötvözhetőbb, mint a ferrit (α-vas: TKK) Hexagonális rács: A rácselemben lévő atomok száma: Koordinációs szám: K= 12 Térkitöltési tényező: 74%. Ez a 1 1 z = 12 ⋅ 6 + 2⋅ 2 +3=6 legnagyobb. Miller-indexek Határozzuk meg a sík és a koordináta tengelyek

metszéspontjait rácselemméretben kifejezve. Vegyük a kapott számok reciprok értékét, majd azt a legkisebb számokból álló számhármast, melyek aránya megegyezik a reciprok értékek arányával. Azt az eredményt tegyük kerek zárójelbe:( ) Az irányt vektorként ábrázoljuk. Jele: [ ] Egy adott indexű irány merőleges az ugyanolyan indexű síkra (csak kocka rács esetén igaz!):[123] ┴ (123) Jelölések:Sík: ( )Síkrendszer: { }Irány:[ ]Irányrendszer:< > Síkrendszer: A szimmetria folyton egyenértékű síkokat jelenti azok a síkok, amelyeket a zárójelen belüli 3 számjegy és az ellentétes előjelű számjegyek minden lehetséges sorrendben való elrendezésével (permutációjával) képezhetők.Az {110} síkrendszer 12 síkot jelent: (110), ( 1 1 0), (101), ( 1 0 1 ), (011), (0 1 1 ), (110), ( 1 1 0), ( 1 01), (10 1 ), (0 1 1), (01 1 ) Az {111} síkrendszer 8 síkot jelent: (111), ( 1 11), (1 1 1), (11 1 ), ( 1 1 1), (1 1 1 ), ( 1 1 1 )

Polimorfia, allotrópia: Rácsszerkezet függ: hőmérséklet, nyomás. Egyes kémiai elemek, ötvözetek, vegyületek rácsa a hőmérséklet függvényében megváltozik. Ez a polimorfizmus (többalakúság). A fémek, ötvözetek polimorfizmusát allotrópiának hívjuk Az allotróp módosulatokat a görög ABC kezdőbetűivel jelöljük. Allotróp átalakulások hőmérsékleteit „A” betűvel jelöljük. (A 1 , A 2 , A 3 ) Kristályrács hibáinak csoportosításának módjai Pontszerű hibák (nulldimenziós hibák)Vonalszerű hibák (diszlokációk) felületszerű hibák Pontszerű hibák Kiterjedés: néhány atomátmérő távolság. Típusai: Üres rácshely vagy vakancia, Saját atom rácshézagában (intersztíciós helyzetben) Idegen atom rácshelyen (szubsztitíciós oldás)Idegen atom rácshézagban (intersztitíciós oldás) Frenkel-féle hiba: Egyensúlyi vakanciakoncentráció a hőmérséklet függvényében: n 1 − N Qv = e kT = Qv e kT ahol: - n :

vakanciaszám N : rácspontok száma Q v :egy vakancia keletkezéséhez szükséges energia [eV] 1eV = 1,6 ⋅10 j k : Boltzman-állandó: 0,9 ⋅ 10 eV T : Hőmérséklet [K] A pontszerű hibák nagyobb arányban 19 −4 K vakanciák, kisebb arányban intersztíciós atomok. .Megállapítások: Ötvözőanyagok intersztíciós és szubsztitíciós oldódása az alapfém rácsát torzítja, így a szilárdsági jellemzőket (a torzítás mértékében) A hőmérséklet növekedésével a vakancia koncentráció nő, ez az állapot gyors hűtéssel stabilizálható, jellemzők megnövekedett értékeit okozza. Besugárzás (nagy energiájú neutron-sugárzás) hatására a pontszerű hibák száma nő, ami a szilárdsági jellemzők növekedésével jár együtt. Ridegedik az anyag a neutron-sugárzás hatására. Ha a szilárdság nő, a szívósság csökken. Kristályrács hibáinak csoportosításának módjai Pontszerű hibák (nulldimenziós hibák)Vonalszerű hibák

(diszlokációk) felületszerű hibák Pontszerű hibák Kiterjedés: néhány atomátmérő távolság. Típusai: Üres rácshely vagy vakancia, Saját atom rácshézagában (intersztíciós helyzetben) Idegen atom rácshelyen (szubsztitíciós oldás)Idegen atom rácshézagban (intersztitíciós oldás) Frenkel-féle hiba: Egyensúlyi vakanciakoncentráció a hőmérséklet függvényében: n 1 − N -2- Qv = e kT = Qv e kT ahol: - n : vakanciaszám N : rácspontok száma Q v :egy vakancia keletkezéséhez szükséges energia [eV] 1eV = 1,6 ⋅10 j k : Boltzman-állandó: 0,9 ⋅ 10 eV T : Hőmérséklet [K] A pontszerű hibák nagyobb arányban 19 −4 K vakanciák, kisebb arányban intersztíciós atomok. .Megállapítások: Ötvözőanyagok intersztíciós és szubsztitíciós oldódása az alapfém rácsát torzítja, így a szilárdsági jellemzőket (a torzítás mértékében) A hőmérséklet növekedésével a vakancia koncentráció nő, ez az állapot gyors

hűtéssel stabilizálható, jellemzők megnövekedett értékeit okozza. Besugárzás (nagy energiájú neutron-sugárzás) hatására a pontszerű hibák száma nő, ami a szilárdsági jellemzők növekedésével jár együtt. Ridegedik az anyag a neutron-sugárzás hatására. Ha a szilárdság nő, a szívósság csökken Vonalszerű rácshibák (vakanciák): Kritikus csúsztatófeszültség: Az a feszültség, amely a fémek külső erőterhelés esetén a csúszási síkban megindítja a csúszást, azaz a képlékeny alakváltozást. τ krit , gyakor = τ krit ,elmé 1000 Rr min gyakor = 2 ⋅τ krit , gyakor Éldiszlokációk: Jele: ┴.A hibás helyzetű atomokat összekötő vonal egy egyenes. Atomsíkok ékelődnek be a szabályos rácssíkok közé, és azt feszítik, úgy, hogy a blokk egyik része nyomott a másik része pedig húzott állapotba kerül. Csavardiszlokáció: A A diszlokáció tengelye hibás helyzetű atomokat összekötő vonal egy csavarvonal. a.,

Egyenlő előjelű diszlokáció: az extrasíkok ugyanazon az oldalon vannak, taszítják egymást (max. 1 atomtávolságra közelítik meg egymást A hátsó diszlokáció maga előtt tolja az elsőt) b., ellenkező előjelű diszlokációk: az extrasíkok ellentétes oldalon vannak, vonzzák egymást (találkozáskor megsemmisítik egymást, mivel a 2 ellentétes irányú extrasík 1 teljes síkká egészül ki.) Képlékeny alakítás hatása: A fémek felmelegednek, diszlokációk száma nő Ha oly sok már a diszlokációk száma, hogy erőterük egymásba ér, a további alakváltozás Csúszósík Rr [N/mm2] Rugalmassági határ 10000 1000 1 100 3 4 2 lehetetlenné válik, a fém repedni, törni fog. Kimerül az alakíthatósága 1: Jól lágyított állapot, 2: Hidegalakítás hatása, 3, Edzés hatása, 4: Termomechanikus megmunkálás. A minimumtól balra azért nő a rugalmassági határértéke, mert túl kevés diszlokáció vesz részt a képlékeny

alakváltozásban. A minimumtól jobbra azért nő a rugalmassági határ, mert túl sok diszlokáció vesz részt a képlékeny alakváltozásban. Ezek egymást akadályozzák mozgásukban. Felületszerű rácshibák: Fémes anyag fajtájától függő: rétegződési hiba, összefüggő fázishatár, ikerkristály határ. Fémes anyag fajtájától független: szemcsehatár, szubszemcsehatár, általános fázishatár. Rétegződési hiba: Síkok helyzetének jelzései A, B, C pl. FKK rács esetén Ennek a periodicitásnakmegváltozását rétegződési hibának hívjuk 10-2 A B C A C A B C A: B: C: Összefüggő fázishatár : nagyon ritka. Koherens fázishatár α -fázis β-fázis -3- 10 104 107 1010 [diszl/mm2] Ikerkristály határ: Egy krisztallit két párhuzamos sík közé eső része, az eredeti helyzetével szimmetrikus, ún. ikerhelyzetet vesz fel Ikerkristályok keletkezése kedvez az alakváltozási mechanizmusnak. Ikerkristályok gyakoriak: austenites

acélokban, rézben, ill hexagonális és tetragonális rácsú krisztallitokban. Szemcsehatár: (nagyszögű határ) Azonos fázisú krisztallitok választóvonala. Hamarabb maródik a kristályhatár, mint a kristály belseje Diffúziós folyamatok kiindulási helye a kristályhatár. Szubszemcsehatár: (kisszögű határ) egymás felett elhelyeszkedő diszlokációsor. (azonos előjelű diszlokációsor) A szubhatárok ún. mozaikblokkokat zárnak közre Mozaikblokkok: A szemcsén belül keletkezett azonos orientációjú tömbök. Általános fázishatár: (nagyszögű határ) Az érintkező kristályoknak vagy a szerkezete vagy az anyaga vagy mindkettő eltér egymástól. α és Fe 3 C két különböző fázis Rácshibák hatása a szilárdsági jellemzőkre: (diszlokációsûrûség növekedése) Hidegalakítás hatása Szem nagyság hatása Rr Oldott elemek hatása kiválások hatása (ionkristályos fázishatárok létrejötte) Nagyszögû határok mennyiségének

növekedése Pontszerû kristályhibák mennyiségének növekedése Színfém egykristály d-1/2 szemcseátmérõ Hall- Petch összefüggés: R = R + K eL 0 d R 0 , K adott eseten állandó, d: átlagos szemcseátmérő. -4-