2018. 02. 06.

1

Dr. Szabó Péter Jánosszpj@eik.bme.hu

Anyagtudomány – 2017/18

Ötvözetek

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

2018. 02. 06.

2

Ötvözetek előállítása olvadék-állapotban

• 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)

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

2018. 02. 06.

3

Ötvözetek előállítása felületi ötvözéssel

• Reaktív gázközegben történő izzítás

– Felületi karbontartalom növelése → cementálás

– Felületi nitrogéntartalom növelése → nitridálás

– Cél: kopásállóbb, keményebb felületek létrehozása

Ötvözetek előállítása felületi ötvözéssel

• Lézeres felületötvözés

– Lézersugárral lokálisan megolvasztjuk a felszínt

– Fúvókákkal az ötvözőt por alakban belefújjuk a megolvadt foltba

– Fúvási sebesség, por összetételének szerepe

– Hővezetés szerepe

Az alkotóelemek kapcsolata az ötvözetekben

• Az alkotók oldják egymást → szilárd oldat

• Az alkotók egymással kémiai reakcióba lépnek → (intermetallikus) vegyületek

• Az alkotók apró kristályok elegyévé dermednek → eutektikum, eutektoid

2018. 02. 06.

4

10

Szilárd oldat

Szilárd oldat: Olyan ötvözet, amelyben az ötvöző atomokbeépülnek az alapfém rácsába, és az így létrejöttszerkezet kristályrácsa az oldó anyagéval azonos.

Típusai: szubsztitúciós és intersztíciós szilárd oldat.

Korlátlan szubsztitúciós szilárd oldás feltételei:

1. Azonos kristályrács;2. Közel azonos atomátmérő (eltérés max. 14 %);3. Az elektronaffinitási sorban ne álljanak túl messze

egymástól, mert akkor ionvegyület jön létre;4. Az oldó (A) és oldott (B) atom vegyértékelektronjainak

száma azonos.

ABBABBBAö aaCaCaCaa 1Vegard-szabály:

11

Szubsztitúciós szilárd oldatok

Korlátlan szilárd oldatStatisztikailag rendezetlenszilárd oldatRendezett rácsú szilárd oldat

köbös 1:1 köbös 3:1

hexagonális 12:7

Tula

jdo

nsá

g

Rendezett rácsú összetétel

Tulajdonság-változások

AuCu (fkk), Cu3Au

(fkk), FeAl (tkk), CuNi3

(fkk)

Ugrásszerű tulajdonság

változás (Fe- 75Ni)

Szuperötvözet: Ni3Al

(rendezett-fkk)

(max. szilárdság:

500 °C)

2018. 02. 06.

5

Korlátozott oldódás

• Csak bizonyos mértékben oldják egymást

• Pl. Cu-Zn: max. 35 at% Zn

14

Intersztíciós szilárd oldat

Az oldott elemek kis atomátmérőjűek (H,O,N,C,B), és a rácsokhézagaiban helyezkednek el. Az Fe-C szilárd oldat az egyiklegjellemzőbb példa.

Fe

C

Fe

C

A valóságos rácsban a C-atom előfordulása jóval kevesebb mint a lehetséges helyek száma.

15

Intermetallikus vegyületekNem áll fenn a szilárd oldat képződésének lehetősége.Az intermetallikus fázisok összetétele megfelel egymeghatározott AmBn atomaránynak, de előfordul, hogy oldják az

alkotóikat.Rácsuk az alkotók rácsától független szerkezetű.Kristályosodásuk állandó hőmérsékleten történik.

IonvegyületekErősen fémes természetű elemek (Na, Ca) alkotnak vegyületetnemfémes elemekkel (Cl, F). Ionos kötés tartja össze a rácsot.

NaCl CsCl

2018. 02. 06.

6

16

Elektron-vegyületekNagyobb olvadáspontú fémek (Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni) olyanvegyületeket képeznek kisebb olvadáspontú fémekkel (Cd, Al,Sn Zn, Be), amelyeknél a kötésben részt vevő elemek atomjainakés vegyértékelektronjainak aránya egyszerű egész számokkalkifejezhető (A/ne).Az elektronvegyületeket a görög abc betűivel jelölik:: A/ne=2/3, : A/ne=4/7, : A/ne=13/21,

CuZn CuZn3 Cu5Zn8

Intersztíciós fémes vegyületekNagy olvadáspontú fémek (Fe, Cr) alkotják kis atomsugarúmetalloidokkal (N, C). rmet/rfém=0,55...0,66 Jellemző a nagy keménység és kopásállóság. A Fe és C intersztíciós szilárd oldatot és intersztíciós fémes vegyületet alkot (Fe3C).

17

Eutektikum, eutektoid

Ha az alkotók egymással sem szilárd oldatot, sem fémesvegyületet nem alkotnak, akkor az ilyen ötvözet a két alkotókristályainak az elegyévé dermed. Folyadékból megdermedtheterogén szerkezet neve eutektikum, míg a szilárd állapotbankeletkező hasonló szerkezet neve eutektoid. Heterogénkétfázisú szerkezetet alkotnak.A kristályosodástól függően lemezes, vagy szemcsésszerkezetűek lehetnek. Hasonlóan a színfémekhez, állandóhőmérsékleten dermednek meg.

Fe-C eutektoid

Pb-Sn eutektikum

Eutektikum keletkezése olvadékból

2018. 02. 06.

7

Fázis

• Olyan térfogatelem az anyagon belül, amelynek fizikai és kémiai tulajdonságai homogének.

• Fázishatáron valamely fizikai vagy kémiai tulajdonság ugrásszerűen megváltozik.

Szövetelem: mikroszkópi képen megkülönböztethető olyanmikroszerkezeti elemek amelyek (át)kristályosodás soránkeletkeztek és önálló határfelülettel rendelkeznek.

•Fázisok

•Eutektikum

•Eutektoid

Tulajdonságaik erősen eltérnek a komponens fázisoktulajdonságaitól.

A makroszkópikus tulajdonságokat nem a fázisok, hanem a szövetelemek tulajdonságai határozzák meg.

Szövetelem

Allotrópia

Egyensúlyi rácstípus (T, P)

allotróp átalakulás, allotróp módosulat

szilárd - szilárd fázisátalakulás

Sn (ónpestis)

Sn (gyémánt rács) Sn (tk tetragonális) 13,2 C

2018. 02. 06.

8

Fe allotróp átalakulásai

ferrit - ausztenit

tkk fkk (8,8 %)

23

Kétalkotós állapotábrák

1!

2 2 !2! 2

n n nnN

n

Lehetséges kétalkotós állapotábrák száma

n=90 alkotó esetén N=4005, és n=50 esetén is 1225 állapotábra lehetséges.

Állapotábra: a koncentráció és a hőmérséklet függvényében mutatja meg az ötvözetegyensúlyi fázisait.

A gyakorlatban: 2 és 3 alkotós állapotábrák.

24

Állapotábra korlátlan oldhatósággal folyékony és szilárd állapotban

A B

folyadékT

tCöCsz Cf

szilárd

likvidusz

szolidusz

ab

xy

1

x a y b

x y

x-folyadék mennyisége,egységnyi tömegű anyagbany=1-x- szilárd fázis mennyiségeaz egységnyi tömegű anyagban

Emelőkar szabály

Fázisok: folyadék, szilárd F+SZ=K+1

2018. 02. 06.

9

25

Ha adott a hőmérséklet (T) és a koncentráció (C), meghatározható a fázisok száma és minősége.

• Példák:

Állapotábra használata 1.

tömeg % Ni20 40 60 80 1000

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

f (folyadék)

(f.k.k szilárdoldat)

A(1100,60)

B(1

25

0,3

5)

A(1100,60):

1 fázis:

B(1250,35):

2 fázis: f +

Cu

26

Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentráció-

jánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok

koncentrációja.

Cu-Ni rendszer

Állapotábra használata 2.

tömeg % Ni

20

1200

1300

T(°C)

f (folyadék)

30 40 50

TAA

DTD

TB

B

karok

433532CoCf C

Co= 35% Ni

TA- nálcsak folyékony oldatCf=Co =35%Ni

TD-nélcsak szilárd oldatC=Co=35% Ni

TB-nélkét fázis (+f)Cf =Clikvidusz =32% NiC=Cszolidusz=43%Ni

27

Adott hőmérsékleten és az ötvözet adott koncentrációjánál meghatározható ez egyensúlyt tartó fázisok mennyisége

Állapotábra használata 3.

Cu-Ni rendszer

tömeg % Ni

20

1200

1300

T(°C)

f (folyadék)

30 40 50

TAA

DTD

TB

B

karok

433532 cocf c

Co= 35% Ni

TA – nál csak folyadék 100 % folyadék, 0%

TD-nél csak szilárd oldat 100 % , 0% folyadék

TB-nél két fázis +folyadék a b

%273243

3235

%733243

3543foly.

ba

ay

ba

bx

2018. 02. 06.

10

28

Fe-C ikerdiagram

folyadék

25

1147

1252

atom % C

1538

1394

1493

E

N

0

BHA

I

0,10,16

0,5

P S

O

G

M

769

912

deltaferrit

ausztenit

ferrit

QL

δδ

γγ

D

FC

727

perlit

ledeburi

t

tömeg % C0,02

2,10,80

Fe

4,3

Fe3C

tömeg % Fe3C0 100

6,7

K

cem

entit

29

Fázisok a metastabil rendszerben

fd+

f+cf+ c

+c

+c

+

d

f+d

d– delta ferrit

f - folyadék -ausztenit

c- cementit - ferrit

Fe Fe3C

f++c

+c+

30

Szövetelemek a metastabil rendszerben

• Homogén szövetelemek

– delta ferrit – d (szilárd oldat)

– ausztenit – (szilárd oldat)

– ferrit – (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– ledeburit (eutektikum) – telített folyadékból alakul ki

– perlit (eutektoid) – telített ausztenitből alakul ki