KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Fémek és ötvözetek egyensúlya
13. lecke: Színfémek és ötvözetek egyensúlyi lehűlése
| ||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||||
| ||||
![]() | Alapfogalmak | |||
Az előzőekben megismerkedtünk a fémek és ötvözetek kristályos szerkezetével, megismertük, hogy hogyan jön létre ez a szerkezet folyékony állapotból lehűtve kristályosodás során, illetve, milyen átalakulásokat szenvedhet a rácsszerkezet szilárd állapotban. Ezeknek a folyamatoknak a megértéséhez néhány alapfogalommal kell megismerkednünk. | ||||
Elsősorban meg kell határoznunk a vizsgálatok tárgyát. Ez a rendszer. | ||||
Vizsgálatainkat az anyagnak a külvilágtól elkülönített részén az ún. rendszerben végezzük. | ||||
pl. rendszer egy pohár víz, vagy egy tűzálló anyagból készült tégelyben elhelyezett olvasztott fém stb. | A rendszer az anyagnak a külvilágtól megfigyelés céljából elkülönített része. | |||
pl. egy pohár tiszta víz, folyékony fém. |
| |||
pl. jeges víz, kristályosodó fém stb. A jeges vízben lévő fázisok a folyékony halmazállapotú víz és a szilárd jég. |
| |||
A rendszer homogén, önálló határoló felületekkel elkülöníthető része a fázis. Jele: F | ||||
![]() | ![]() Vigyázat a fázisok egy rendszerben nem feltétlenül különböző halmazállapotúak. Pl. különböző rácsszerkezetű allotróp módosulatok különböző fázisok | |||
Azonos fajtájú elemek pl. Fe vagy H2O stb. | A rendszert az alkotók vagy komponensek építik fel. Jele: K | |||
A rendszer állapotát az állapottényezők határozzák meg. | ||||
Ezek: | ||||
| ||||
Az állapothatározók és a fázisok száma között egyensúly esetén összefüggés van. Ezt fejezi ki a Gibbs féle fázisszabály. | ||||
Ejtsd dzsipsz | ![]() | A Gibbs féle fázisszabály | ||
A Gibbs féle fázisszabály általános alakja | ||||
![]() | ![]() Magyarázat: Ismert, hogy a víz fagyáspontja 0 C°, forráspontja pedig 100 C°. Ezek 1 bar nyomáson értendők. Ha a nyomást megnöveljük a víz forráspontja is megnő. Ezen az elven alapszik a "kukta" gyorsfőző edény. A lezárt edényben nagyobb a nyomás, mint a környezetben, így a víz magasabb hőmérsékleten forr, tehát az étel előbb puhul meg. | |||
A Gibbs-féle fázisszabály általános alakja szerint a fázisok (F) és a szabadsági fokok (Sz) számának összege kettővel több, mint a komponensek (K) száma. | ||||
A képletben szereplő 2-es szám, a nyomást és a hőmérsékletet, mint független változókat jelenti. | ||||
A Gibbs féle fázisszabály fémekre érvényes alakja | ||||
A fémek esetében a nyomásnak alig van hatása, ezért állandónak tekintjük. Ezért a fázisszabály fémekre vonatkozó alakja: | ||||
A képletben a 2-es szám helyett azért van 1, mert a nyomás állandó értékűnek tekintésével 1 állapottényezőt "kiiktattunk". | ||||
A rendszer állapotának termodinamikai vizsgálata | ||||
A rendszer, adott körülmények között akkor van termodinamikai egyensúlyban, ha a szabadenergiája minimális. A rendszer mindig a legalacsonyabb energiaszintre törekszik. | ||||
A spontán, külső beavatkozás nélkül létrejövő folyamatok, minden esetben csökkentik a rendszer szabadenergiáját. | ||||
A rendszer állapota lehet | ||||
| ||||
| ||||
F szabadenergia függvény | ||||
A rendszer állapotának vizsgálatát a fázisai szabadenergiái segítségével tehetjük meg, hiszen a rendszer adott körülmények között akkor van egyensúlyban, ha a szabadenergiája minimális. | ||||
Az F szabadenergia függvényt az | ||||
kifejezés határozza meg. | ||||
A képletben U a rendszer belső energiája, T az abszolút hőmérséklet, S a rendszer entrópiája. Az így megadott szabadenergia az ún. Helmholtz féle szabadenergia. | ||||
A rendszer belső energiája | ||||
A rendszert alkotó részecskék kinetikus és potenciális energiájának összege. A belső energia a rendszer állapotát egyértelműen meghatározza, ezért állapotfüggvénynek nevezzük. Ha egy fémet hevítünk nő a belső energiája, ami túlnyomó többségében a részecskék rezgési amplitúdóját növeli, viszonylag kis része pedig növeli a ponthibák koncentrációját. | ||||
Legegyszerűbben úgy képzelhetjük el, hogy ahányféleképpen a részecskék elhelyezkedhetnek. | Entrópia | |||
Termodinamikailag | ||||
szemléletesebben a statisztikus entrópia | ||||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrán, a szépen feltekert "rendezett" zsineg jelképezi a kis entrópiájú állapotot, míg a szétdőlt zsineg a nagy entrópiájú állapotot. | |||
Az esetek túlnyomó többségében nem az energia abszolút értéke, hanem az energiakülönbség nagysága fontos. (F) | ||||
![]() | Színfémek lehűlése | |||
Ha a hőmérséklet adatokat a fém hevítése során vesszük fel az ún. hevítési görbét kapjuk. | A színfémek lehűlési viszonyainak tanulmányozása a termikus analízissel lehetséges. A vizsgált fémet olvasztó tégelybe helyezzük, megolvasztjuk, majd hagyjuk lehűlni. Közben meghatározott időközönként mérjük a hőmérsékletét arra alkalmas eszközzel pl. termoelemmel. A felvett hőmérséklet és időadatok ábrázolásával a lehűlési görbéhez jutunk. | |||
Jelölések az ábrán: Q hőelvonás (a fém a környezetben van) Td dermedéspont dT a kristályosodás megindulásához szükséges hőmérsékletkülönbség) túlhűtés |
| |||
![]() | ![]() Az ábrán három szakasz figyelhető meg. Az 1. szakaszon a fém folyékony, a 2. szakasz a kristályosodás szakasza, míg a 3. szakaszon a fém szilárd. | |||
F + Sz = K + 1. A Gibbs féle fázisszabály fémekre érvényes alakja K = 1 A komponensek száma 1, mivel színfémről van szó pl. Al, Cu stb. | F + Sz = K + 1. | |||
![]() | ![]() Ezen a szakaszon a fém folyékony, tehát a fázisok száma 1., F=1. Ha rendezzük az egyenletet a szabadsági fokokra: | |||
az egyik fázis a folyékony, a másik a már megszilárdult fém | 2. Szakasz F=2 olvadék + szilárd Sz= 0 T = constans | |||
![]() | ![]() Figyelje meg, a második szakasz vízszintes, nem változhat a hőmérséklet sem. Gondoljon arra, hogy ha biztos nulla hőmérsékletet kell előállítani pl. Műszer hitelesítésnél, akkor olvadó jeget használ. Az olvadó jég hőmérséklete 0 C°. A dT hőmérséklet csökkenést a Gibbs féle fázisszabállyal nem lehet magyarázni. Ezt a szabadenergiák segítéségével mutatjuk be a 4. ábrán. | |||
3. Szakasz F=1 szilárd | ||||
![]() | ![]() A 3. szakasz hasonló az elsőhöz, csak itt az F=1 fázis a szilárd fém. | |||
A színfém lehűlési görbéjének magyarázata a fázisok szabadenergiái alapján | ||||
Az olvadás- illetve dermedésponton a két fázis szabadenergiája egyenlő | ||||
Minél nagyobb a túlhűtés, illetve a túlhevítés annál nagyobb a különbség a két fázis szabadenergiája között, tehát annál nagyobb az átalakulás hajtó ereje. | ||||
Jelölések az ábrán: Fszil a szilárd fázis szabadenergia görbéje Folv az olvadék vagy folyékony fázis szabadenergia görbéje dFkr a kristályosodás vagy olvadás megindulásához szükséges szabadenergia különbség (hajtóerő) dTkr a kristályosodás vagy olvadás megindulásához szükséges hőmérséklet különbség T0 az olvadás (dermedés) pont |
| |||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrát! | |||
A színfém lehűlési görbéjének ábrázolásakor az ún. egyszerűsített görbét használjuk. Ezen nem tüntetjük fel a dT hőmérséklet különbséget. | ||||
| ||||
Allotróp módosulatokkal rendelkező fém lehűlése | ||||
| ||||
![]() | ![]() A vas olvadáspontja 1536 C°, itt találjuk a jobb oldali lehűlési görbén az első vízszintes szakaszt. Ezen a hőmérsékleten a -Fe kristályosodik. (rácsa térközepes köbös) | |||
![]() | Ötvözetek lehűlése | |||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrát! Alkalmazzuk a Gibbs féle fázis szabályt. A komponensek száma K = 2, a szilárd oldatot alkotó két fém (pl. A és B). A vizsgálat kezdetén a rendszer folyékony állapotban van, tehát F = 1 (olvadék). A szabadsági fokok száma: Sz = 2, tehát az ab szakaszon mindkét állapothatározó (a hőmérséklet és a koncentráció) változhat. A bc szakaszon, amikor az olvadékban megjelennek a szilárd oldat csirái, F = 2 lesz. (olvadék + szilárd oldat), így a szabadsági fokok száma Sz = 1-re módosul, ami azt jelenti, hogy változhat a hőmérséklet. | |||
Kétalkotós egyensúlyi diagramok | ||||
Az egyensúlyi diagram lehetővé teszi, hogy meghatározzuk bármely ötvözet állapotát tetszőleges hőmérsékleten | Az előzőekben láttuk, hogy a fémek és ötvözeteik viselkedésének vizsgálata a lehűlési görbék segítségével megtehető. Ha azonban két fém minden lehetséges összetételét akarjuk tanulmányozni, olyan diagramot kell felvennünk, ahol az összes lehetséges lehűlési görbe jellemzőit fel tudjuk tüntetni. Az ilyen diagramot egyensúlyi diagramnak vagy állapotábrának nevezzük. | |||
| ||||
A szerkesztéshez két olyan fém A és B ötvözeteinek lehűlési görbéjét használjuk fel, melyek folyékony és szilárd állapotban korlátlanul oldják egymást. | ||||
A szerkesztés menete a következő: A koncentráció egyenes 100% A pontjára emelt függőlegesre az A szín fém lehűlési görbéjén látható TA dermedési, illetve olvadási pontot vetítjük át. Ugyanígy járunk el a 100% B esetében (TB) is. A közbenső pontok meghatározásához különböző összetételű ötvözeteket készítünk Esetünkben legyen pl. 80% A és 20% B, és felvesszük a lehűlési görbét. A lehűlési görbén a kristályosodás kezdetét TL a kristályosodás végét TSZ ponttal jelöljük, és átvetítjük az adott ötvözetet jelölő pontra emelt függőlegesre az ún. ötvözet jelző vonalra. Az ötvözetrendszer egyensúlyi diagramjának meghatározásához más összetételű ötvözetek (szokásos 10% lépcsőkkel) lehűlési görbéjét is fel kell venni. Megjegyzés: a lehűlési görbék, ebben az ötvözetrendszerben csak abban térnek el egymástól, hogy más hőmérsékleten kezdődik, és fejeződik be a kristályosodás (szilárd oldat!) | ||||
A kristályosodás kezdetét jelölő pontok összekötésével, egy olyan görbét kapunk, ami az ötvözet rendszer ötvözetei esetén a kristályosodás kezdetének hőmérsékleteit mutatja. Ezt a vonalat likvidusz vonalnak nevezzük. | ||||
A kristályosodás végét jelző pontok összekötésével kapott vonalat szolidusz vonalnak nevezzük. A szolidusz vonal a kristályosodás befejező hőmérsékleteit mutatja az ötvözet rendszer ötvözetei esetében. | ||||
Az egyensúlyi diagram vízszintes tengelye az alapvonal - koncentráció egyenes - hossza 100%-nak felel meg. | ||||
A vonal egyik vég pontja A (100% A), a másik vég pontja a B (100 % B) alkotónak felel meg. A közbenső pontok, A-tól B felé haladva a két alkotó %-át mutatják. | ||||
A függőleges tengelyre a hőmérsékletet visszük fel. | ||||
Az egyensúlyi diagramok értelmezése | ||||
adott ötvözetben és adott hőmérsékleten az alábbi kérdéseket kell megválaszolni az egyensúlyi diagramok segítségével: | ||||
| ||||
A kiválasztott ötvözet a mennyiségű (60%) A fémet és b mennyiségű (40%) B fémet tartalmaz. Az ábrán szaggatott vonallal van bejelölve. |
| |||
Adott ötvözet esetén T1, T2 és T3 hőmérsékleteken határozzuk meg a fázisokat! | ||||
Menete: | ||||
T1 hőmérsékletre húzzuk be az izotermát! Az izoterma a kiválasztott ötvözetet egy pontban metszi. Az ötvözet T1 hőmérsékleten ez a metszéspont jellemzi. A metszéspont a likvidusz vonal fölött van, tehát az ötvözet olvadt állapotban van, azaz egy fázisú, az F=1 fázis az olvadék. | ||||
Hasonló a helyzet a T3 hőmérsékleten is, csak ott a metszéspont a szolidusz alatt van, tehát az ötvözet egy fázisa a szilárd oldat. | ||||
A T2 hőmérsékletjelző izoterma az egyensúlyi diagrammot átmetszi a likvidusz és a szolidusz között. Ebben az esetben az ötvözetet a hőmérséklet jelző izotermának a likvidusz és szolidusz vonallal határolt részén az un konóda jellemzi. | ||||
A konóda két végpontja megmutatja a fázisokat. A likvidusszal való metszéspont az olvadék, a szolidusszal való metszéspont pedig a szilárd fázist. Itt a szilárd fázis a szilárd oldat. | ||||
A fázisok összetételének meghatározása (Koncentráció szabály) | ||||
A koncentráció szabály, a likvidusz és a konóda metszéspontja a koncentráció egyenesre vetítve az olvadék fázis, a szolidusz és a konóda metszéspontja pedig a szilárd fázis összetételét adja meg. | ||||
Le kell vetíteni a koncentráció egyenesre a hőmérsékletjelző és az ötvözetjelző metszéspontját. |
| |||
Homogén területben (T1 és T3 hőmérsékletek) az egy fázis összetétele megegyezik az ötvözet összetételével. | ||||
![]() | ![]() Figyelje meg a 10. ábrán! | |||
Emelőszabály | ||||
A fázisok mennyiségének meghatározása | ||||
Homogén egyfázisú területen (T1 és T3) a fázis mennyisége értelemszerűen 100%. | ||||
A T2 heterogén kétfázisú területen a fázisok mennyiségének meghatározására az emelőszabály vagy fordított karok szabálya szolgál. | ||||
| ||||
Az ábrán lévő jelölések: | ||||
| ||||
A fázisok mennyiségének meghatározása szerkesztéssel | ||||
A fázisok mennyiségét a számítás módszeren kívül grafikusan is meghatározhatjuk a fázis diagram segítségével. | ||||
| ||||
![]() | ![]() A szerkesztés menete a következő: | |||
A fázisdiagram lehetővé teszi bármilyen összetétel esetén a kiválasztott ötvözet fázisainak meghatározását. | ||||
Szilárd oldat kristályosodása (Tamman 6.) | ||||
| ||||
A két fém folyékony és szilárd állapotban minden arányban oldja egymást. Az oldódás korlátlan. Az egyensúlyi diagrammal már megismerkedtünk, hiszen ezen mutattuk be az egyensúlyi diagramok értelmezését. Ebben az esetben, mivel csak egy szilárd oldat fázis képződik a likvidusz és a szolidusz egy-egy görbe. | ||||
A diagram pl. Cu - Ni ötvözetek (Cu 1083 a Ni 1455 C°-on dermed) sematikus diagramját mutatja. Az ábrán jól megfigyelhető, hogy a kristályosodással keletkező szilárdoldat koncentrációja jelentősen változik a kristályosodás során.( D1, D2 és D3 pontok) Elméletileg, ideális esetben, ha a lehűtés végtelen lassan történik ez a koncentráció különbség ki tud egyenlítődni diffúzióval. A valóságban azonban a szilárd oldatként kristályosodó ötvözetek összetétele a szemcsén belül változó, a szemcse széle felé dúsul az alacsonyabb olvadáspontú ötvöző. | ||||
| ||||
A diffúziós izzítást alkalmazzák a gyakorlatban is, hőmérséklete a szolidusz közelében van, mert a hőmérséklet növelése növeli a diffúzió sebességét |
| |||
Figyelje meg a képen, hogy a valóságban (diffúziós izzítás nélkül) keletkező szilárd oldat, mivel nincs elég idő a diffúzióra nem egyenletes, míg több órás nagy hőmérsékleten végzett diffúziós izzítás után az ötvözők eloszlása egyenletes lesz. | ||||
| ||||
Két szilárdoldat eutektikus rendszere | ||||
A fémeknél nagyon gyakori az az eset, hogy a két fém folyékony állapotban, minden arányban, szilárd állapotban pedig csak bizonyos százalékban, tehát korlátozottan oldja egymást. Ilyen típusú ötvözetrendszer a közel azonos olvadáspontú fémeknél figyelhető meg. Többek között ilyen diagramja van a Cu - Ag az Al - Si és az Pb - Sn ötvözeteknek. | ||||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrát! | |||
A két fém oldja egymást ezért a rendszerben kétféle szilárd oldat, A-ban dúsabb , és B-ben dúsabb keletkezik. A TA - E likvidusz vonal az , a TB - E likvidusz vonal pedig a b szilárd oldat kristályosodásának kezdetét mutatja. A két likvidusz vonal az E pontban metszi egymást, tehát ebben a pontban az olvadékból és fázisoknak is kell kristályosodni. Ez F=3 fázist jelent, ami a Gibbs féle fáziszabály értelmében csak állandó hőmérsékleten lehetséges. | ||||
![]() | ![]() Figyelje meg, ezt jelenti a diagramban a CED vízszintes vonal. | |||
Az eutektikum jól olvadót jelent. Ennek az ötvözetnek a legalacsonyabb az olvadáspontja az ötvözetrendszerben. | A keletkező szövetelem az eutektikum. | |||
Eutektikum képződés | ||||
Az eutektikum két likvidusz metszéspontjának megfelelő összetételnél képződik, állandó hőmérsékleten. | ||||
A korlátozott oldóképesség miatti kiválás befolyásolása gyakran alkalmazott hőkezelési módszer. | A szilárd oldat oldóképesség általában függ a hőmérséklettől. A C pont jelöli azt a felső határt, ameddig A a B alkotót oldani képes. Az oldóképesség maximuma az eutektikus hőmérsékleten van, és a hőmérséklet csökkenésével legtöbb esetben csökken. A CF vonal az szilárd oldat, a DG vonal a szilárd oldat oldóképességének határát mutató korlátozott oldóképesség vonala. Az oldhatatlanná váló fém kivális az -ból a és fordítva. A kiváláshoz diffúzió és ezért megfelelően lassú lehűtés kell. | |||
Az ötvözet rendszer szolidusz vonalai, a TA - C ( kristályosodásának vége), a TB - D (b kristályosodásának vége) és a CED eutektikus vonal, az eutektikum kristályosodásának hőmérséklete. | ||||
Ez a diagram típus nagyon gyakori. |
| |||
Figyelje meg a példát. Az első ötvözet esetében a kristályosodással ólomban dús szilárd oldat () keletkezik, (a képen a sötét színű krisztallitok) majd az eutektikum kitölti a teret. Ebben a sötét színű ólomban dús és a világos színű ónban dús szilárd oldat () fázisok jól megfigyelhetők. A középső ötvözet az eutektikus összetétel, a harmadik pedig ónban dús szilárd oldat és eutektikum. |
Ellenőrző kérdések | |||||||||
1. Egészítse ki a megadott fogalmak segítségével az alábbi meghatározást! A rendszer az a céljából része. ![]() | |||||||||
Jelölje meg az egy helye megoldást! | |||||||||
2. Mit fejez ki a Gibbs féle fázisszabály általános alakja?
![]() | |||||||||
3. Mit fejez ki a Gibbs féle fázisszabály fémekre érvényes alakja?
![]() | |||||||||
4. Mit jelent az, hogy egy rendszer stabil állapotban van?
![]() | |||||||||
5. Mennyi a szabadsági fokok száma színfém kristályosodása közben?
![]() | |||||||||
6. Hogyan alakul a fázisok szabadenergiája a színfém dermedéspontján? ![]() | |||||||||
7. Mennyi a szabadsági fokok száma a szilárd oldat dermedése közben?
![]() | |||||||||
8. Mit nevezünk ötvözetrendszernek?
![]() | |||||||||
9. Vizsgálja meg az alábbi állítást! A szilárd oldat kristályosodása közben a hőmérséklet állandó, mert a szabadsági fokok száma 2.
![]() | |||||||||
10. Jelölje meg az eutektikum képződés általános egyenletét! ![]() | |||||||||
11. Vizsgálja meg az alábbi állítást! A szilárd oldat kristályosodása közben a szilárd fázis összetétele változik a keletkező szövetelem réteges szerkezetű, mert a diffúzió sohasem tökéletes.
![]() | |||||||||
12. Mit határozhatunk meg a koncentráció szabállyal?
![]() | |||||||||
13. Mit határozhatunk meg az emelőszabállyal?
![]() | |||||||||
14. Mit mutat a konóda és a likvidusz metszéspontja?
![]() |