KURZUS: Mérnöki anyagismeret

MODUL: Fémek és ötvözetek egyensúlya

12. lecke: Kristályosodás

  • Olvadék dermedése
  • Krisztallit fogalma
  • Kristályosodási képesség, kristályosodási sebesség fogalma, mértékegysége
  • A kristályosodási képesség és a kristályosodási sebesség változása a hőmérséklet függvényében lassú és gyors hűtés esetén
  • Kristályosodási formák
  • A hűtés módjának hatása a kristályosodáskor kialakuló szemcseméretre
  • Idegen fajtájú csira hatása a szemcseméretre

A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:

  • definiálni az olvadék, dermedés, krisztallit, gyors hűtés, lassú hűtés, szemcseméret, csíra, kristályosodási sebesség és képesség, dendrit fogalmakat
  • meghatározni a hűtési sebesség és a kristályosodás jellemzői közötti kapcsolatot
  • meghatározni a kristályosodás formáit

A kristályos szerkezet rácselemekből épül fel, melynek alakja változatos és jellegzetes.  Az ionos és kovalens kötéssel rendelkező anyagok, az ásványok, kerámiák kristályainak külső alakja formatartó, magán viseli a rácstípus jellegzetességeit. Ezek az egyedülálló kristályok az egykristályok.

1. ábra. Kvarc és ametiszt kristályok

Ha tiszta fémen teljesen sima, sík felületet csiszolatot készítünk, azután maratás után szabad szemmel vagy mikroszkóppal nagyítva megszemléljük a metszetet azon vékony vonalakkal határolt területeket láthatunk.

Minden ilyen mező egy-egy kristálynak a csiszolat síkjával való metszete. A határoló vonalak nem szabályosak, tehát a fémkristályokat nem határolják sík kristálylapok.
2. ábra. Krisztallit

A fémek esetében csak speciális hűtési módszerrel tudunk egykristályokat kialakítani. Bármely fémdarabot megnézve azon a kristályosság nem fedezhető fel.

A nem szabályos sík felületekkel határolt kristályokat krisztallitoknak nevezzük.

Olvadék dermedése

Az olvadékban az atomok összekapcsolódásával kristálycsirák képződnek. A kristályosodás során a meglévő csirákhoz további atomok kapcsolódnak, a csirák növekedni kezdenek. Növekedés közben a szomszédos, szabályos lapokkal határolt kristályok egymásba érve akadályozzák egymást, így szabálytalan határfelületekkel határolt szemcsék ún. krisztallitok keletkeznek.

A krisztallitokat a gyakran szemcsének nevezzük.
3. ábra. Az olvadék dermedésének szakaszai

Figyelje meg az ábrán, hogy a növekedés közben egymással összeérő kristályok között alakul ki a szabálytalan felület. A fémeknél szinte mindig krisztallitokkal találkozunk.

Kristályosodási formák

A kristályosodás sebessége a kristályon belül az egyes irányokban különböző lehet. A különböző fémek esetében az eltérés különböző lehet.

Ilyen poliederes krisztallitok figyelhetők meg gyakran horganyzott lemezek felületén.
4. ábra. Poliederes krisztallit

Ez a forma abban az esetben, alakul ki, ha a kristályok növekedési sebessége kevéssé irányfüggő.

5. ábra. Dendrites krisztallitok

A legtöbb fém esetében van olyan irány, amelynél a többihez képest jóval nagyobb a kristályok növekedésének sebessége. Ezért a csira ebben az irányban gyorsan nő és tű alakúvá válik. A további hőelvonás eredményeként, ismételten elágazó, fenyőágra emlékeztető dendrites szerkezet keletkezik

Ez a forma figyelhető meg pl. a vasötvözeteknél is.
6. ábra. Dendrites szerkezetű öntöttvas
Pl. az öntöttvasakba szilárd szilíciumot visznek be közvetlenül az öntés előtt.
7. ábra. Szferolitos krisztallit

A szferolitos forma akkor alakul ki, ha a csira a tér minden irányában egyforma sebességgel nő.

A kristályosodás folyamata

A kristályosodás, a krisztallitok jellege és mérete a kristályosodási képességtől vagy csiraképződéstől, és a kristályok növekedésének sebességétől függ. Mindkét tényezőt befolyásolja az olvadásponthoz képesti túlhűtés mértéke. A kristályosodási sebesség esetében még azt is figyelembe kell venni, hogy a kristályon belül az egyes irányokban nem azonos.

8. ábra. A kristályosodási képesség és a kristályosodási sebesség változása a túlhűtés függvényében

A kristályosodási képesség a fémeknek az a képessége, hogy olvadékukban hűtés hatására a dermedés pont alatt, spontán, külső beavatkozás nélkül kristálycsirák, magok keletkeznek. A kristályosodási képesség mérőszáma az olvadék térfogatának egységében időegység alatt képződő magok, csirák száma.

K K = csira cm 3 min

A kristályok lineáris növekedési sebességét kristályosodási sebességnek nevezzük. Jele: KS, mértékegysége: [ cm perc ]

Figyelje meg az ábrán, hogy a KK és a KS az olvadás illetve dermedésponton (T0) nulla. A hőmérséklet csökkenésével rohamosan nőnek. Az ábrán az is megfigyelhető, hogy a KK gyors hűtés hatására meredekebben nő (több csira keletkezik), majd egy maximum után csökken. A KS nem függ a hűtés módjától.

Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor?

Lassú hűtés

  • (pl. homokforma) a csiraképződés kicsi, a növekedés sebessége nagy.
  • Az eredmény durva szemcseszerkezet
Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor?

Gyors hűtés

  • (pl. fémforma, kokilla)
    a csiraképződés nagy, a növekedés sebessége nagy.
  • Az eredmény finom szemcseszerkezet
Milyen szemcseméret alakul ki dermedéskor?
9. ábra. A hűtés hatása a szemcseméretre
A kristályosodást befolyásoló tényezők
Idegen fajtájú csira
10. ábra. Idegen fajtájú csira hatása

Az öntvények készítésénél a legjobb tulajdonságok a finom szemcseszerkezet mellett érhetők el. Ezt azonban a gyakran használt homokforma nem biztosítja. Ebben az esetben az olvadékba kívülről viszünk be csirákat. Ezek az idegen fajtájú csirák is megindíthatják a kristályosodást és lassú hűtés mellett is finom szerkezetet kapunk.

Figyelje meg az ábrán, hogy az idegen fajtájú csira "eltolja felfelé" a KK görbét, tehát jelentősen növeli a csirák számát, ezáltal finomítja a szerkezetet.

Ellenőrző kérdések

Jelölje be az egy helyes megoldást!

1. Mit nevezünk krisztallitnak?
Az ásványok szabályos kristályait
Az ásványok szabálytalan felülettel határolt kristályait
Olvadékból kialakult szabálytalan felülettel határolt kristályokat
Olvadékból keletkező szabályos fémkristályokat
2. Hogyan befolyásolja a hűtés erélyessége a kristályosodási sebességet?
Gyors hűtésnél kevesebb csira képződik
Lassú hűtésnél több csira keletkezik
Gyors hűtésnél több csira keletkezik
Nem befolyásolja
3. Hogyan befolyásolja a hűtés erélyessége a kialakuló szemcseméretet és miért?
Lassú hűtéskor sok csira keletkezik, ami lassan nő a kialakuló szemcsék finomak
Lassú hűtéskor sok csira keletkezik, ami lassan nő a kialakuló szemcsék durvák
Gyors hűtéskor sok csira keletkezik, ami lassan nő a kialakuló szemcsék durvák
Gyors hűtéskor sok csira keletkezik, ami gyorsan nő a kialakuló szemcsék finomak
4. Mi a dendrites szerkezet és mi az oka?
a fémek kristályosodása során kialakuló fenyőágra emlékeztető szerkezet, oka hogy a kristályosodási képesség függ a lehűtés sebességétől
a fémek kristályosodása során kialakuló fenyőágra emlékeztető szerkezet, oka hogy a kristályosodási sebesség vektoros nem minden irányban azonos
a fémek kristályosodása során kialakuló fenyőágra emlékeztető szerkezet, oka hogy a kristályosodási sebesség nem függ a lehűtés sebességétől
a fémek kristályosodása során kialakuló fenyőágra emlékeztető szerkezet, oka hogy a kristályosodási képesség nem függ a lehűtés sebességétől
5. Milyen szerepet töltenek be az idegen fajtájú csirák kristályosodás közben?
a kristályosodási képességet csökkentik, ezért szemcsefinomító hatásuk van
a kristályosodási sebességet csökkentik, ezért szemcsefinomító hatásuk van
a kristályosodási képességet növelik, ezért szemcsefinomító hatásuk van
a kristályosodási sebességet növelik, ezért szemcsefinomító hatásuk van
6. Mi a kristályosodási képesség mértékegysége?
K K [ csira cm 3 ]
K K [ csira cm 3 min ]
K K [ cm min ]
K K [ csira cm 2 ]
7. Mi a kristályosodási sebesség mértékegysége?
K S [ csira min ]
K S [ min ]
K S [ cm min ]
K S [ cm 3 min ]