Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
1
Fémek fázisátalakulásaFémek fázisátalakulása
BMEANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK
Anyagtudomány 2004/05 I.félév
Dr. Krállics Gyö[email protected]
2
A tananyag tanulmányozása során A tananyag tanulmányozása során megismerjük:megismerjük:
• az egyensúlyi és a nem egyensúlyi átalakulások fogalmát ;
• A diffuzió alapveto mechanizmusait;• a γ-α nemegyesúlyi átalakulások fajtáit (
perlites, bénites, martenzites) és jellemzoit;• az acélok alapveto hokezeléseit.
2
3
Fázisátalakulások csoportosításaFázisátalakulások csoportosítása
Diffúzió függo átalakulás, a fázisok száma vagy összetétele nem változik(tiszta fém olvadása vagy szilárdulása, újrakristályosodás, allotróp átalakulás)Diffúzió függo átalakulás , a fázisok összetétele és/vagy száma változik (eutektoidos átalakulás)Diffúzió nélküli átalakulás, metastabil fázis jön létre az atomok kooperativ kismértéku mozgásával(martenzites átalakulás)
4
y
log (t)
Állandó T
0
0.5
1
t0.5
InkubációÚj fázis csirájánakkeletkezése
NövekedésAz új fázis idobeli növekedése
( )
−=
−=
−−=
RTQ
Ar
tr
kty n
exp
sebességeátalakulásaz1
exp1
5.0
Az Avrami egyenlet a fázisátalakulást írja le:
A fázisátalakulás idobeli lefolyása
3
5
Réz újrakristályosodása az ido Réz újrakristályosodása az ido és a homérséklet függvényébenés a homérséklet függvényében
6
Kristályosodás elméleti folyamataiKristályosodás elméleti folyamatai
( )
( )TLT
GrGrrG
drd
rGrrG
E
VkritV
V
∆=
∆=→=∆−=∆
+∆−=∆
γγπγπ
γππ
22048
434
2
23
Magképzodés: egy kritikus térfogatban a megfelelo fajtájú atomok úgy rendezodnek el, ami jellemzo az új fázisra (szerkezet, koncentráció, méret). Ezt megelozi egy átmeneti állapot, ami nagyobb szabadenergiával jellemezheto, mint az új vagy a kezdeti állapot.
Homogén magképzodés: ha az új fázis a rendszer bármely pontján azonos valószínuséggel alakulhat ki.
∆++
→+
sugárrrcsíraállóatombóln
atomsugárr
csíraállóatombóln 11
4
7
folyadék
szilárd
ETTL
r∆
− π3
34
πγ24r
G∆
ETT<
kritr r
Sza
bade
ntal
pia
válto
zás
∆T
rkrit
8
Csíraképzodés jellemzoiCsíraképzodés jellemzoi
Mag keletkezési gyakoriság (kristályosodási képesség)
3 1keletkezettmagokszámatérfogat ido
N mm s− − = •
Mag növekedési sebessége: 1Dt
G mms−∆ = ∆
∆T
GN1
N2v2
v1
v1<v2
túlhutés
N
5
9
Heterogén magképzodésHeterogén magképzodésKristálycsíraként idegen atomok szolgálnak. Ezek meg-gyorsítják a kristályosodás folyamatát.
∆N
N1
N2
túlhutés
N
∆T
Szemcseméret jelentoségeHall-Petch egyenlet
21
02,0
−+= kdRRp
szemcseátméro
10
Túlhutés, túlhevítés
A fázisdiagramok (állapotábrák) fázishatárain való véges sebességgel való áthaladáskor az új fázisok létrejötte eltolódik.Hutéskor, az átalakulás az egyensúlyihoz képest alacsonyabb homérsékleten jön létre, ez a jelenség a túlhutés.Hevítéskor az átalakulás az egyensúlyihoz képest magasabb homérsékleten jön létre, ez a jelenség a túlhevítés.A túlhutés/túlhevítés mértéke alapvetoen a hutés/hevítés sebességétol függMetastabil állapot a gyors homérsékletváltozás hatására alakul ki.
6
11
A diffúzió fogalma
Szilárd állapotban történo diffúzió• Koncentrációs diffúzió: a koncentráció különbség
hatására bekövetkezo atomi mozgás.• Öndiffúzió: a rácsot felépíto atomok energiaszint
különbség hatására bekövetkezo mozgása.
Különféle anyagi részecskék (szilárd, folyékony,gáznemu) anyagon belüli helyváltozása.
12
A nagyobb koncentrációjú helyrol mozog el az atom
Kezdeti állapot Késobbi állapot
Koncentrációs diffúzió
100%
Koncentrációeloszlás0
Cu Ni100%
Koncentrációeloszlás0
7
13
Az atomok megjelöléseradioaktív izotóppal
Késobbi állapot
A
B
C
DA
B
C
D
Öndiffúzió
Kezdeti állapot
14
Szubsztitúciós/üres rácshelyes diffúzió:• szubsztitúciós idegen atomok• atomok cseréje üres rácshelyek segítségével• a folyamat sebessége függ:
- az üres rácshelyek számától- az atomcsere aktivá lási energiájától.
increasing elapsed time
Diffúziós mechanizmusok
8
15
Ene
rgia
Pozíció
Q = Qm+ Qü
Qm- mozgási energiaQü - üres rácshely
képzodésénekenergiája
Adott diffúziós rendszeren belül az öndiffúzió aktiválási energiája a legnagyobb.
A diffúzió aktiválási energiája
Ene
rgia
Pozíció
Aktiválási energia, Q
16
Intersztíciós diffúzió
Az intersztíciós atom a rácspontok közti intersztíciós helyeken keresztül mozog.
9
17
Anyagáramlás sebessége (fluxus):
A fluxus vektor mennyiség.
A fluxus mérheto:- az üres rácshelyekben- az alapfém atomjaiban (A) - szennyezo atomokban (B)
J x
J y
J z x
y
z
Diffúziós egyenletek
kg
m2 s
v.
atomok
m2s
x-irány
Felület (A),amelyen keresztülaz atomok mozognak
dtdm
AJ
1−=
18
Fick egyenletekFick egyenletek
I. Fick-egyenlet:Diffúziós tényezo
Koncentráció gradiensdxdC
DJ x −=
0ha =∂∂
∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
=∂∂
CD
zC
Dzy
CD
yxC
Dxt
C
∂∂
+∂∂
+∂∂
=∂∂
2
2
2
2
2
2
zC
yC
xC
DtC
II. Fick-egyenlet
10
19
A diffúzió elemi lépéseia
1. sík 2. sík
A - felület
A
B
C1 C2
[ ]
( )
−=
−=
−
−==
−=−=
+−=−=
∆∆
+=−
==
==
−−
−−
RTQ
DRTQ
Ka
D
RTQ
dxdC
DdxdC
Ka
J
adxdC
CKaA
KaA
Cmmtm
adxdCCC
KaA
CmKaA
Cm
aACmaACm1
expexp
gyakoriságugrásiexp11
G
/idejesánaktartózkodáegyhelybenátlagosatomok
tömeg/id o,
, :tömegeatomokB
00
2
0
2
111221
12
212121
221
τ
ττ
τ
ττ
τττ
x
20
Egydimenziós eset:
Megoldás:
Idoben nem állandósult diffúzió
2
2
xC
DtC
∂∂
=∂∂
Cs
Pozíció, x
( )txC ,
C0
( )
Φ−=
−−
Dtx
CCCtxC
s 21
,
0
0
t0
∞====>≥==
xCCxCCtxCCt
s
haés0ha,00ha,0
0
0
t1t2
t3
11
21
Gauss-féle hibaintegrál
y
( )Dtx
ydyyDt
x y
4,exp
22
22
0
2 =−=
∫π
Φ
Φ
Az értékek táblázatokban megtalálhatók.
22
FeFe--CC ikerdiagramikerdiagram
hipoeutektoidos hipereutektoidosacélok
Egyensúlyi diagramok
12
23
A vas (acél) allotróp átalakulásaiA vas allotróp módosulata : α-Fe, γ-Fe és d-Fe.A vasötvözetek hokezelésénél alapveto az α-> γ és a γ ->αátalakulás.Az elsonél fajtérfogat csökkenés, a másodiknál növekedés történik.γ ->α fázisátalakulás . A folyamat 3 fontos paramétere a szabadentalpia változás, a szilárd állapotbeli kristályosodási képesség és a diffúziós tényezo.
Gα
Gγ∆T1
∆T2
T2 T1 A1
T
G∆G2 ∆G1
∆T
NSN1
N2v2
v1
v1<v2
túlhutés
NNS
24
log tt1t2t3
T1
T3
T2
?TA1
C-görbe
diffúzió hatása
túlhutés hatása
Hom
érsé
klet
A γ-α átalakulás idoszükséglete(C görbe)
A túlhutés azonos módon befolyásolja a kristályosodási képesség és a szabadentalpia változást, csökkenti az átalakulás kezdetének idopontját. A diffúziós tényezore a homérséklet ellentétes módon hat. Minél alacsonyabb a homérséklet, annál hosszabb az átalakulás ideje.
13
25
Eutektoidos acél izotermikus átalakulási diagramja (TTT)
10 103 105 Ido (s)10-1
400
600
800T(°C)
Ausztenit (stabil)
200
P
B
A1
0% 100%
50%
100%bainit
100% perlitA
A
Ms
γγγ
γ
γ γ
γ
Perlit mennyisége1
0t
Perlit/bainit határ
26
Reakció sebességno a túlhutéssel (∆T).
Perlites átalakulás
γαααα
α
α
Perlitnövekedésiirány
Ausztenit (γ)szemcse-határ
Cementit (Fe3C)
Ferrit (α)γ
α
αγ γ
α
Szénatomokdiffúziója
675°C ∆T kicsi
1 10 103 104
ido (s)
0
50
100
Per
lit%
0
50
100
600°C
∆T nagy650°C
ausz
teni
t%
Csíraképzodéssel lejátszódódiffúziós folyamat.
14
27
Ttransf közvetlenül az A1 homérséklet alattNagyobb T gyorsabb diffúzió.
Perlit szerkezete
Kisebb ∆T,durvább lemezek
Ttransf jóval az A1 homérséklet alattKisebb T, lassabb diffúzió.
Nagyobb ∆T,finomabb lemezek
10µ m
28
Bainites átalakulás
10 103 105 Ido (s)10-1
400
600
800T(°C)
Ausztenit (stabil)
200
P
B
0% 100%
50%
A
A
Ms
Bainit mennyisége1
0 t
Perlit/bainit határ
A1
Felso bainit
Alsó bainit
15
29
Bainit szerkezete
350-550 °C 200-350 °C
Cementit
Ferrit
Felso bainit Alsó bainitMartenzit
Martenzit
CementitFerrit
Ferrit tuk és hosszú cementit részecsék elegye
Vékony ferrit lemezek és nyújtottcementit részecskék elegye
Az átalakulás sebességét alapvetoen a diffúzió ( kevésbéa csiraképzodés) befolyásolja. A relativ alacsony homérsékletmiatt nagyon finom struktura jön létre.
γ α
Fe3C
Egy hasonlóábra kellene !!!
30
Szferoidit keletkezése
10 103 105 Ido (s)10-1
400
600
800T(°C)
Ausztenit (stabil)
200
P
B
0% 100%
50%
A
A
Ms
A1
60 µm
α(ferrit)
Fe3C (cementit)
Szferoidit
Hosszú ido alatt a perlit/bénit szerkezete átalakul ( diffúzió) és Fe3C apró gömbök jönnek létre a ferrit mátrixban.
16
31
Martenzites átalakulás
10 103 10510-1
400
600
800T(°C)
Ausztenit (stabil)
200
P
B
A
A
Ms
A1
0% M50% M90% M
Kezdeti homogén fázisból (γ) az átalakulás során homogén fázis (m) keletkezik, csiraképzodés nélkül. Nagy lehulési sebesség esetén jön létre. Diffúzió nélküli átalakulás, a másodperc törtrésze alatt megy végbe.
Martenzit tukAusztenit
60µ m
s
Ido (µs)
Martenzitmennyisége
0.5
32
MMss és Més Mff homérséklet homérséklet széntartalom függéseszéntartalom függése
Ms
Mf
GO
SP
0.6 1.0 C%
T
Tus martenzit
Lemezes martenzitTus+lemezes
17
33
HipoHipo-- és hipereutektoidos acél és hipereutektoidos acél izotermikus átalakulásaizotermikus átalakulása
10 103 105
Ido (s)10-1
400
600
800T(°C)
200
P
B
A
A
Ms
A1
A3FerritAusztenit (stabil)
M
10 103 105
Ido (s)10-1
400
600
800T(°C)
200
P
B
A
A
Ms
A1
AcmCementitAusztenit (stabil)
M
Proeutektoidosferrit
Proeutektoidoscementit
34
Eutektoidos acél folyamatos átalakulása
10 103 105 Ido (s)10-1
400
600
800T(°C)
Ausztenit (stabil)
200
A
AMs
A1
4321
1.Edzés (víz) : Martenzit 2. Edzés(olaj): Perlit+bénit+martenzit 3. Normalizálás: finom perlit 4. Lágyítás : durva lemezes perlit
Kritikus lehulés
Perlit folyamatos átalakulásának kezdetevégeB
18
35
Acél alapveto hokezelési Acél alapveto hokezelési eljárásaieljárásai
• Edzés • Megeresztés• Nemesítés ( Edzés+ megeresztés)• Normalizásás • Lágyítás
36
• EdzésAusztenites hontartás + gyors hutés. Martenzites szövetszer kezet eloállítása.
• MegeresztésMartenzites szövetszerkezet A1-nél kisebb homérsékleten hontartása és lehutése. Finom szerkezetu perlit eloállítása.
• Lágyítás Ausztenites hontartás + nagyon lassú hutés (kemencével). Lágy, szívós szerkezetu anyag eloállítása
• NormalizálásAusztenites hontartás + levegon való lehutés. Finom, egyenletes mikroszerkezet eloállítása.
19
37
Hokezelési folyamatok öszegzéseAusztenit (γ)
α+Fe3C lemezek/tukBainitPerlit
α+Fe3C rétegek
α+ Fe
Martenzit(diffúzió nélküli
átalakulás)
Megeresztettmartenzitα+ nagyon apró
Fe3C részecskék
Lassú hutés gyors hutés
megeresztés
Szi
lárd
ság
Szi
vóss
ág
Általános tendenciák
közepes hutés
Martenzitbainit
finom perlitdurva perlitszferoidit
38
Fogalmak
• Egyensúlyi és nemegyensúlyi átalakulás
• A nemegyensúlyi átalakulás befolyásoló tényezoi
• A fázisátalakulás Avrami-egyenlete
• A csíraképzodés termodinamikai feltételei
• Izotermikus átalakulási diagram
• Folyamatos átalakulási diagram
• Perlites átalakulás• Finom- és durvalemezes perlit
• Bainites átalakulás• Alsó és felso bainit• Martenzites átalakulás• Öndiffúzió• Koncentrációs diffúzió• Intersztíciós diffúzió• Szubsztitúciós diffúzió• I. Fick-egyenlet• II. Fick-egyenlet