KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Fémek és ötvözetek egyensúlya
10. lecke: A fémek kristályos szerkezete
| |||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | |||
| |||
Kristályos szerkezet | |||
| |||
A kristályos szerkezet leírása | |||
A rácsszerkezet leírására koordináta rendszereket alkalmazunk. | |||
A rácsszerkezet x, y, z, koordináta rendszerben a rácselem oldaléleinek nagyságával (a, b, c) és a tengelyek által bezárt szöggel a jellemezhető. | |||
| |||
A rácsszerkezet jellemzői | |||
| |||
A kristályrácsoknak több változata van, amelyek közük csak a fémeknél lényeges fajtákat ismertetjük. | |||
![]() | Köbös vagy szabályos rendszer | ||
A köbös rendszernek, (alapja egy kocka) négy módosulatát ismerjük, mégpedig az egyszerű, vagy primitív, a térben középpontos, a felületen középpontos módosulatot és az ún. gyémántrácsot, amelyet legismertebb képviselőjéről neveztek el. | |||
Egyszerű köbös rács esetén a kocka csúcspontjain vannak atomok, ilyen rácsa egyedül a poloniumnak van, ezért ezt nem ismertetjük. | |||
![]() | Térközepes köbös rácsszerkezet | ||
| |||
| |||
A térközepes köbös rácsban a csúcspontokon kívül a testátlók metszéspontjában is van egy atom. Ilyen rácsszerkezete van a következő fémeknek: Li, Na, K, V, Cr, W, Ta, és a vasnak (-Fe) 1392 C° és az olvadáspont (1536 C°) között illetve 911 C° (-Fe ) alatt. | |||
A térközepes köbös rács elemi celláját 2 atom alkotja, mert a testátlók metszésében lévő atom csak egy cellához tartozik. | |||
A koordinációs szám 8, ami a kocka közepén elhelyezkedő atomra könnyen belátható, mert a legközelebbi szomszédjai a vele érintkező csúcsponti atomok. | |||
Az atomátmérő d = , mivel az atomok a testátló () mentén érintkeznek egymással. | |||
A térkitöltési tényező: | |||
![]() | Lapközepes köbös rácsszerkezet | ||
| |||
| |||
A lapközepes köbös rácsban a kocka csúcspontjain kívül, az oldallapok középpontjaiban is találhatók atomok. Ilyen a rácsszerkezete pl. a következő fémeknek: Al, Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Ir, Pt valamint a vasnak (-Fe) 911 C° és 1392 C° között. A lapközepes köbös fémek kiváló képlékenyalakíthatósággal jellemezhetők. | |||
Ez a rácsszerkezet a legsűrűbb elhelyezkedést valósítja meg, ezért a koordinációs szám 12. | |||
Az atomok a lapátlón érintik egymást, így az atomátmérő , a lapátló felével egyenlő. | |||
Az elemi cellát alkotó atomok száma: | |||
A térkitöltési tényező: | |||
Bizonyítás nélkül közöljük, hogy annak ellenére, hogy a lapközepes köbös rácsban nagyobb a térkitöltés a rácsba beírható gömb sugara nagyobb, mint a térközepes köbös rács esetében, ami az ilyen rácsszerkezetű fémek ötvözhetőségében megfigyelhető. (Az -Fe 723 C°-on csak 0,025%, míg a -Fe 0,8% karbont tud oldani.) | |||
![]() | Hexagonális rácsszerkezet | ||
| |||
| |||
A grafit rácsa hexagonális, míg a gyémánt a köbös rendszer egy speciális változatával jellemezhető. | A hexagonális rendszer elemi cellája is lehet egyszerű és szoros illeszkedésű, vagy tömött. Az egyszerű módosulat esetében csak a hatszög alapú hasáb csúcsain találunk atomokat. Ilyen a grafit rácsa. A szoros illeszkedésű hexagonális rendszer elemi cellájában a csúcsponti atomokon kívül az alap és a fedőlap közepén, valamint a hasáb belsejében is vannak atomok. Ez a típus elsősorban a fémekre jellemző (pl. Be, Zn, Mg, Cd és a Ti). | ||
![]() | Polimorfizmus, allotrópia | ||
A kristályos szerkezet néhány esetben nincs egyértelmű kapcsolatban az összetétellel. A rácsszerkezet a fizikai paraméterek: hőmérséklet és nyomás függvényében megváltozhat. | |||
Ez a polimorfizmusnak nevezett jelenség | |||
pl. SiO2 kvarc vagy a grafit és a gyémánt | |||
![]() | Allotróp átalakulás | ||
A színfémek polimorfizmusát allotrópiának nevezzük. | |||
| |||
A fémek közül is többet találunk, amelynek különböző hőmérsékleteken más a kristályos szerkezete. Ilyen allotróp módosulatai vannak többek között a kobaltnak, a titánnak az ónnak, és mint azt már azt a köbös rács típusainál jeleztük a vasnak is. | |||
![]() | Rácsrendezetlenségek, rácshibák | ||
Hosszú időn keresztül a kristályokat tökéletesnek tételezték fel, hiszen a legtöbb esetben alakjuk, felületük simasága "kristálytiszta" színe erre utalt. A valóságban az ún. reális kristályok azonban kisebb-nagyobb mértékben rácshibákat tartalmaznak. Gondoljunk arra, hogy pl. egy kristály felülete pl. egy olyan hely, ahol egy atomnak a környezete egészen más, mint egy olyané, amely a kristály belsejében van, hiszen sohasem lehet annyi közvetlen szomszédja, mint a koordinációs szám. | |||
A rácsrendezetlenségeket egyszerűen úgy képzelhetjük el, hogy eltérés az ami nem olyan, mint a szomszédja. | |||
A rácsrendezettlenségeket kiterjedésük szerint csoportosíthatjuk: | |||
| |||
Pontszerű rácshibák | |||
| |||
A pontszerű rácshibák közül nagyon fontos szerepe van az üres rácshelyeknek, és az idegen atomoknak a rácsban. | |||
Üres rácshelyek | |||
| |||
Beékelődni csak kisméretű elemek tudnak, mert a rácsban kis hely van. Ilyenek a H, C, N, O és a B. |
| ||
Idegen atom a rácsban | |||
| |||
Az idegen atom elhelyezkedhet rácsponton, helyettesítve a saját atomot, vagy a rácsban lévő szabadhelyekre beékelődve. | |||
Egydimenziós rácshibák | |||
| |||
A kristályszerkezet megismerése lehetővé tette a maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség (RP0,2) számítását, modellek alapján. A modellben feltételezték, hogy a képlékeny alakváltozás során az elcsúszás a kristálysíkok között egyszerre következik be adott síkon és adott irányban következik be. Lásd. 11. ábra. | |||
Azonban az elcsúszást előidéző feszültség számított és a mért értékeke között nagyságrendnyi eltérés volt. A magyarázat az, hogy a fémkristályokban az elcsúszás a képlékeny alakváltozás nem egyszerre következik be, hanem egy adott síkon és adott irányban "fokozatosan". | |||
Ez csak akkor lehetséges, ha a kristály tartalmaz egyméretű rácshibákat, diszlokációkat. | |||
| |||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrán a hernyó mozgását. A mozgás felaprózásával jóval kisebb teljesítmény elegendő az elmozduláshoz. | ||
Az ábrán a sötét körökkel jelzett atomsor, amelynek lefelé nincs folytatása a diszlokáció. A fémekben nagyon sok diszlokáció van, szinte behálózzák azt. | |||
Diszlokációkról készült elektronmikroszkópos felvételek | |||
| |||
| |||
![]() | ![]() A képeken a sötét vonalak a diszlokációk. | ||
A diszlokáció sűrűség és a folyáshatár összefüggése | |||
| |||
![]() | ![]() Az ábrán látható, hogy a legkisebb szilárdság az un. egyensúlyi, lágyított állapotban van, ebben az esetben a diszlokációk száma kb. 106db/cm2. A diszlokációk száma a hidegalakítás hatására nő pl. hajtogatok egy gemkapcsot előbb utóbb eltörik, mert olyan sok lesz benne a diszlokáció, hogy azok egymástól nem tudnak mozogni. Ez a szakasz a felkeményedési szakasz, ami a szilárdság növekedését eredményezi. (lásd szakítóvizsgálat egyenletes alakváltozás szakasza). A másik oldalon, ha speciális módszerrel előállítunk olyan kristályt, amelyben nincs diszlokáció, jelentősen megnő a szilárdság. Ilyenek az ún. wishkerek, tűkristályok. Átmérője kb. 5 m. | ||
Kétdimenziós rácshibák | |||
A pontszerű és vonalszerű hibákon kívül olyan hibás tartományok is vannak, amelyek kétdimenziósak vagy felületszerűek. A kétméretű rácshibák a tökéletes kristály fogalmából is következnek, mert hibának kell értelmezni minden olyan helyet ahol folytonosságot megszakító változásokat tapasztalunk a rácsorientáltság (irányítottság), vagy a rácsok közötti távolság tekintetében. | |||
| |||
| |||
A fémek felületét rácshibának kell tekinteni, mert a felületen elhelyezkedő atomok környezete más a kristály belseje felé, mint azzal ellentétes irányban. A koordinációs szám nem teljesülhet. Ez az oka annak, hogy a fém felülete megköt sok idegen atomot. Így alakul ki pl. az Al vagy a W felületén egy vékony, összefüggő oxidréteg, ami azonban elég vastag ahhoz, hogy a korróziót megakadályozza. | |||
| |||
| |||
Krisztallithatár, vagy szemcsehatár keletkezik amikor a különböző irányban álló, a kristályosodás közben növekvő kristályok találkoznak és közöttük torzult felépítésű átmenti zóna képződik. |
Ellenőrző kérdések | |||||||||
Jelölje meg az egy helyes megoldást! | |||||||||
1. Mit jelent a kristályos szerkezet?
![]() | |||||||||
2. Mi jellemzi a lapközepes köbös rácsszerkezetet és milyen fémek kristályosodnak így?
![]() | |||||||||
3. Mi jellemzi a térközepes köbös rácsszerkezetet és milyen fémek kristályosodnak így?
![]() | |||||||||
4. Milyen rácszerkezete van a grafitnak?
![]() | |||||||||
5. Milyen vonalszerű rácshibákat ismer, és hol van szerepük?
![]() | |||||||||
6. Milyen rácsszerkezete van az -vasnak?
![]() | |||||||||
7. Mit nevezünk diszlokációnak és hol van szerepe?
![]() | |||||||||
8. Hány atom alkotja az -Fe elemi celláját?
![]() | |||||||||
9. Hány atom alkotja az -Fe elemi celláját?
![]() | |||||||||
10. Hogyan befolyásolja az üres rácshelyek számát a hőmérséklet?
![]() | |||||||||
11. Hogyan befolyásolja az üres rácshelyek száma a diffúziót?
![]() | |||||||||
12. Hogyan befolyásolják a rácshibák a diffúziót?
![]() |