Anyagismeret
1. Metallográfiai alapfogalmak
Az anyagok szerkezete Halmazállapotok A rendszereknek három alapvető halmazállapotuk van, amelyek az állapotjelzők függvényében külön-külön, vagy egyidőben is létezhetnek: Légnemű (gáz) halmazállapot. A rendszerben az alkotók rendezetlenűl és egymástól nagy távolságokra helyezkednek el. Az alkotók térfogatának összege elhanyagolható a rendszer térfogatához képest (majdnem korlátlanul összenyomhatók). Folyékony (folyadék) halmazállapot. Az alkotók között rövidtávú rend uralkodik, az alkotók térfogatának összege megegyezik a rendszer térfogatával (összenyomhatatlanok). Szilárd (kristályos) halmazállapot. Az alkotók között hosszútávú rend uralkodik, és a folyadékhoz hasonlóan szintén össze-nyomhatatlanok. Fontos területüket képviselik fémek. a fémek
A szilá szilárd anyagok KRISTÁLYOS
AMORF
• Az alkotórészecskék szabályos térbeli elrendeződésűek.
• Szabálytalan térbeli elrendeződésűek.
• Emiatt éles az olvadáspont. • Keménységük, a kristály alakja a rácsszerkezettől függ.
• Emiatt nincs éles olvadáspont (melegítéskor fokozatosan megpuhul). • Gumiszerű anyagok.
Kristályrács típusai Ionrács
Atomrács
Fémrács
Molekularács
Részecskék a rácspontokban:
ellentétes töltésű ionok
atomtörzsek
atomtörzsek
molekulák
Rácsösszetartó erő:
elektrosztatikus vonzóerő
kovalens kötés
delokalizált elektronok
másodrendű kötőerők
Olvadáspont: Forráspont:
magas (a nagy rácsenergia miatt)
magas ( erős kovalens kötések miatt)
változó (változó erősségű fémes kötés miatt)
általában alacsony (gyenge másodrendű kötések miatt)
Standard halmazállapot:
szilárd
szilárd
szilárd (a higany kivételével)
gáz, folyadék, szilárd (a molekula méretétől és a másodrendű kötés típusától függően)
viszonylag nagy
nagy
változó
kicsi
jó vezető
szigetelő (a vízben elektrolitosan disszociáló anyagok oldata vezető)
Keménység: Vezetőképesség:
- szilárd: szigetelő - olvadék: vezet - vizes oldat: vezet
- szigetelő vagy - félvezető
Kristályrács típusai
Vezetőképesség:
Oldhatóság:
Olvadáspont függése: Példák az elemek közül: Példák a vegyületek közül:
Ionrács
Atomrács
- szilárd: szigetelő - olvadék: vezet - vizes oldat: vezet
- szigetelő vagy félvezető
vízben általában jó
Fémrács
jó vezető
(egymásban; egyesek cseppfolyós NH3-ban)
- a részecskék méretétől és a rácsszerkezettől - hasonló rácsszerkezet esetén a méret növekedésével általában csökken NINCS
kis EN-ú fémek és a nagy EN-ú nem fémek vegyületei
B, C, Si, Ge
B2O3, SiO2 egyes fémszulfidok
kis EN-ú elemek
néhány szulfid (pl. CuFeS2)
Molekularács szigetelő (a vízben elektrolitosan disszociáló anyagok oldata vezető) polaritástól függ
- polaritástól - mérettől a nagy EN-ú elemek a p-mezőből
nemfémes vegyületek, szerves vegyületek, sok p- és d-mezőbeli fémhalogenid
Rácsot összetartó erők
A kristályokat úgynevezett rácserők, vonzóerők tartják össze, amelyek különböző típusúak lehetnek. Azon kívül, hogy megakadályozzák annak szétesését, jellegük és nagyságuk alapvetően meghatározzák a kristály több tulajdonságát (hőtágulás, fajhő stb.) is. A vonzóerők mellett fellépnek taszítóerők is. Amennyiben az atomokat közelítjük egymáshoz, az elektronhéjak elkezdenek egymásba préselődni. Mivel azok betöltöttek, a Pauli elv értelmében több elektron számára nincs hely, ami egy erős taszító kölcsönhatásban nyilvánul meg. A taszító potenciál az atomok közötti d távolság (rácstávolság) függvénye.
Rácsot összetartó erők
A legegyszerűbb kristályok zárt elektronhéjjal rendelkező anyagok (nemesgázok). A pozitív töltésű atommag és a negatív töltésű zárt elektronhéj tömegközéppontja egy pontba esik, így az atom kifelé elektromosan semleges. Valójában a rezgőmozgás következtében a szimmetrikus elektronhéjak torzulnak, dipólusok keletkeznek, melyek már elektrosztatikusan kölcsönhatásban vannak egymással. Ezek, az un. van der Waals erők, igen kicsinyek, melynek következtében a nemesgáz kristályok olvadáspontja alacsony (jóval kisebb a szobahőmérsékletnél).
Rácsot összetartó erők
Ionos kristályok pozitív és negatív ionokból állnak. Akkor alakulnak ki, ha az egyik anyagnál csak egy – két, un. vegyértékelektron van, (pl. Na) míg a másiknál ugyan-annyi hiányzik (pl. klór). A kötési energia az ionok közötti elektrosztatikus kölcsönhatásból ered.
A W potenciálfüggvény a d rácstávolság függvényében egy minimumgörbét ad. Az ionos kötés közepes erősségű kötés, így ezeknek a kristályok olvadáspontja szobahőmérsékleten, vagy közvetlen felette van.
W Wtaszító d távolság
W(d) W vonzó
Wkötési Egyensúlyi helyzet
Rácsot összetartó erők
A kovalens kristályokra az egyik legjellemzőbb példa a gyémánt Ennél a kötésnél az atomok úgy törekednek zárt elektronhéjra, hogy kölcsönösen használják a szomszédok elektronjait is, a gyémántban a szén négy elektronja a négy szomszédos szénatom egy-egy elektronjával alkot zárt elektronhéjat. A kovalens kötés igen erős, ezért ezeknek a kristályoknak az olvadáspontja jelentősen meghaladja a szobahőmérsékletet. A kovalens kötés értelmezésére a kicserélődési energia szolgál.
Rácsot összetartó erők
Fémeknél a vegyértékelektronok leszakadnak az ionokról (pl. nátrium) és kollektívvá válnak, úgynevezett elektron-gázt alkotva Mivel ebben az elektron esetben minden elektron minden atomhoz és fordítva tartozik, ezért az elektrongáz úgy fogható fel, mint egy kiterjedt kovalens kötés és így a kötési energia a kicserélődési energia lesz.
A fémek szerkezete
Szilárd állapotban minden fém kristályokból épül fel. A fémkristályok több atomból (ionból) állnak, amelyek szabályos idomokat alkotnak. Ezeket az idomokat rács elemnek vagy elemi cellának nevezzük. A szabályosan ismétlődő rácselemekből álló szerkezet a rácsszerkezet.
Elemi cella A kristályrács legkisebb jellemző része, amelyet a tér három irányába eltolva megkapjuk az egész rácsot.
A kristályrácsot a fémes kötés tartja össze, a szabad elektronok körülveszik a fémionokat, ún. elektronfelhőt képeznek. A szabad elektronok áramlásával magyarázzuk a fémek jó elektromos- és hővezető képességét
A legfontosabb elemi cellák elemi cellák: a térközepes köbös (a),
a lapközepes köbös (b) és
a hexagonális (c).
A legfontosabb elemi cellák
Térkö rközepes kö köbös rá rács
Li, Na, K, V, Cr, W, Fe (δ-Fe) Fe) Fe (α-Fe) Fe)
A legfontosabb elemi cellák
Lapközepes köbös rács
Al,
Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Ir, Pt Fe (γ-Fe) Fe)
A legfontosabb elemi cellák
Hexagonális rácsszerkezet
Egyszerű: grafit
Szoros illeszkedésű: Be, Zn, Mg, Cd
A színfémek olvadása és dermedése Ha a fémet melegítjük, azaz hőt közlünk vele, a fémionok egyre gyorsabb rezgőmozgást végeznek. A rácsszerkezet kötőerőit legyőzve a kristályos szerkezet felbomlik, a fém megolvad, folyékonnyá válik.
Dermedéskor ezzel ellentétes folyamat játszódik le. Az olvadékot hűtve az atomok mozgása lelassul. A rácsszerkezet kötőerői ismét hatni kezdenek és a folyadékban kristálycsírák vagy kristályosodási középpontok keletkeznek.
A színfémek olvadása és dermedése Amikor a fémolvadék kezd megszilárdulni, a kristálycsírák növekedés közben akadályozzák egymást. Az egymással összenőtt kristályok határlapjai szabálytalan sokszöget alkotnak, rácsrendezetlenség alakul ki. Ezeket a kristályokat krisztallitoknak nevezzük. A krisztallitok nagysága néhány ezred millimétertől tized milliméter nagyságrendig terjed. (kristályosodási képesség)
Ha a fémolvadékot gyorsan hűtjük, kis méretű szemcsék keletkeznek, mert a kristályosodási folyamat gyorsan játszódik le. Lassú lehűléskor nagy, durva szemcsék alakulnak ki, mert a kristálycsíráknak van idejük megnőni. (kristályosodási sebesség)
Kristályhibák Pontszerű rácshibák
Kristályhibák
Üres rácshelyek, vakanciák
a hibahelyek folyamatosan vándorolhatnak a kristályban, megszűnhetnek, újra Keletkezhetnek
Térfogatnövekedés Diffúzió
Kristályhibák
Idegen atom a rácsban
Kristályhibák
Szilárd oldat Szilárd oldatról akkor beszélünk, amikor a másfajta (ötvöző, vagy szennyező) atomok egyenként épülnek be a rácsatomok (mátrix) helyére (a) (helyettesítéses szilárd oldat), illetve közéjük (b) (beékelődéses szilárd oldat). (a)
A szilárd oldat termodinamikailag hasonlóképpen viselkedik, mint a ponthibák. Ezért az ötvözőknek is van egyensúlyi oldékonyságuk, hasonlóképpen, mint a ponthibáknak.
(b)
Kristályhibák Éldiszlokáció A pontszerű hibákon túl a szabályos rendet vonalszerű hibák is akadályozhatják. Ezeket diszlokációnak nevezzük. Két legjellegzetesebb képviselőjük az él- és a csavardiszlokáció.
Csavardiszlokáció Kialakulásuk egyik oka a nem tökéletes, nem egyensúlyi kristálynövekedés. Gyors lehűtés, nagy szemcsenövekedési sebesség esetén sok diszlokáció keletkezik.
Kristályhibák
Kristályhibák A diszlokáció-sűrűség hatása a szilárdságra
Irodalom
•… …..Szemelvé ..Szemelvények •Szentgyörgyiné Gyöngyösi Éva – Bencsik Ferenc Pál : Villamos anyagismeret és technoló technológia (Nemzeti tankönyvkiadó)
•Csizmadia Ferencné:: Anyagismeret (SzIF-Universitas Kft.)
•Ginsztler – Hidasi –Dévényi:: Alkalmazott anyagtudomá anyagtudomány (Műegyetemi Kiadó)
