2. az anyagok szerkezete a szilárd anyagokat a ... · (fotó: hugues leroux, univ. sci. et tech....

A n y a g i s m e r e t 2. fejezet: Az anyagok szerkezete

A szilárd anyagokat a mikroszerkezetük (10. ábra) és az ezzel szorosan összefüggő fizikai és kémiai tulajdonságaik alapján 3 nagy osztály-ba soroljuk:

2. Az anyagok szerkezete 2.1. Anyagszerkezeti alapismeretek

Az előző fejezetben számos oldalról megvizs-gáltuk az anyag mibenlétét, és a jellemzésükre szolgáló szempontok néhány típusát. Külön feje-zetben kell tárgyalni azt a két fontos szempont-rendszert, amely az anyagok sajátosságait a mű-szaki, a fizikai és a kémiai ismeretek együttes al-kalmazásával írja le: ez a két nagy fogalomkör az anyagszerkezet és a mechanikai tulajdonságok.

fémek és ötvözetek, szerves polimerek kerámiák.

Az atomokból felépülő anyag szerkezetének milyensége ugyanolyan jelentőségű körülmény, mint az, hogy a szóban forgó szerkezetet milyen kémiai elemek alkotják. Az anyagszerkezet – amelyet a továbbiakban mikroszerkezetnek fo-gunk nevezni abból az egyszerű megfontolásból, hogy az e fogalomkörben vizsgált objektumok jellemzően mikrométer körüli (a nanométertől a milliméterig) nagyságrendű sík- vagy térbeli ob-jektumok – a legáltalánosabb értelemben volta-képpen az atomok rendezettségének mértékével írható le. Ezt a rendezettséget döntően befolyá-solja a hőmérséklet és a nyomás, bár ez utóbbi állapottényezőnek a gyakorlatban ritkán van ér-zékelhető szerepe.

A 4. táblázat azt szemlélteti, hogy a hőmér-séklet, valamint az atomok rendezettségének ki-terjedtsége függvényében miként különíthetők el a gáz, a folyadék és a szilárd fázisok (lásd a 2. ábrát), és azoknak milyen főbb csoportjait kü-lönböztetjük meg.

Rendezettségi hatótávolság, r0 = atomsugár

0 3-10 r0 > 100 r0 8

Gáz Tökéletesgáz

Reális gáz

Folyadék Folyadék

Hőmé

rsékle

t →

Szilárd Amorf szilárdtest

Reális kristály

Tökéletes kristály

Tökéletesrendezet-

lenség

Rövid hatótávú

rend

Hosszú hatótávú

rend Tökéletes

rend

10. ábra – Fémek (fent), polimerek (középen) és kerámiák

(lent) mikroszerkezete töretfelületi képeken

Szobahőmérsékleten a fémek nagy többsége szilárd halmazállapotú atomos szilárdtest. A leg-elterjedtebben alkalmazott fémek a vas, az alu-mínium és a réz. A fémötvözetek két vagy több fém atomjainak egyenletes eloszlású kombináci-ói (példa erre a réz és a horgany ötvözete, a sár-garéz), olykor pedig fémes és nemfémes kom-ponensek alkotják az ötvözetet (a vas és a szén ötvözete az acél és az öntöttvas). A fémek általá-ban jó hő- és villamos vezetők, a látható fény hullámhossztartományában nem átlátszók. A mechanikai tulajdonságaik, pl. a keménység vagy az alakíthatóság széles tartományban vál-toznak, de a színfémek általában jóval lágyab-bak, mint az ötvözeteik.

Polimer

FémÜveg

4. táblázat

8. oldal


2.2. A szilárd anyagok szerkezete A szerves polimerek általában szénatomok hosszú molekulaláncaiból felépülő anyagok, amelyekben a szénlánchoz atomok (H, Cl) vagy atomcsoportok (CH3) kapcsolódnak, és további elemek (S, N, Si stb.) is beépülhetnek a moleku-laláncokba, amelyeket egymáshoz rendszerint gyenge kötések kapcsolnak. Majdnem minde-gyik szerves polimer villamosan páratlanul jó szigetelő, elterjedésüket a kis sűrűség, a kiváló formázhatóság és a sokoldalú alkalmazhatóság magyarázza.∗

A hőmérséklet kellő mértékű csökkenésekor az anyagok megszilárdulnak. Az anyagot felépítő atomok, ill. molekulaláncok rendezettségének mértékétől függően a szilárd fázisú anyag lehet: kristályos (a fémek és számos kerámia, ill.

a kristályosodó polimerek, pl. a PE) vagy amorf (a kerámiák közt az ásványi üvegek,

az üvegesedő polimerek között, pl. a gumi). A kristályos megszilárdulásnál az atomok egy

szabályos térrács – a kristályrács – rácspontjaira illeszkednek. A kristályos anyag minden atomja rácspontban ül, és minden rácspontban van atom, s végül a kristály alakja szabályos. Ha e feltételek egyike nem teljesül, a kristály nem tö-kéletes, pontosabban fogalmazva: nem hiba-mentes.

A kerámiák szervetlen vegyületek, amelyeket valamely fém (Mg, Al, Si, Fe stb.) alkot egy nem-fémes anyaggal leggyakrabban az oxigénnel. Eredeileg a „kerámia” szó csak az oxidokra vo-natkozott (Al2O3, SiO2), de számos karbid, nitrid, borid stb. került be az iparilag alkalmazott kerá-miák közé. A kerámiák alapvető jellemzője a nagy mechanikai szilárdság és a hőállóság. Leg-többjük kiváló villamos szigetelő, ugyanakkor közülük kerülnek ki a legjobb hővezetők is (pl. gyémánt, grafit). Számos kerámia, pl. az üvegek amorf szerkezetű.

A térbeli kristályrácsot képzeletben elemi da-rabokra lehet bontani, amelyek közül a legkiseb-bet elemi cellának nevezzük. A szorosan egy-máshoz illeszkedő elemi cellák tehát a kristályos anyag geometriai egységei. Amennyiben a kris-tályrács a vizsgált anyag minden pontján azono-san irányított elemi cellákból épül fel, egykris-tályról beszélünk: a 12.a. ábra egy egyszerű sík-rácsot ábrázol, amelynek elemi cellái a rácsot al-kotó négyzetek. Ám ha az anyag belsejében el-határolhatók olyan tartományok, amelyek irá-nyítottsága (orientációja) eltérő, polikristályról beszélünk (12.b. ábra). A szabálytalan alakú kristályt általában szemcsének vagy krisztallitnak nevezzük, és a szemcsehatár választja el őket egymástól: a 13. ábra tiszta vas metszeti felüle-tén mutat néhány szemcsét és a köztük lévő szemcsehatárokat (szövetszerkezeti képen).

A kompozitok (más néven társított anyagok) az anyagok imént ismertetett három nagy osztá-lyának „keverékei”, amint a 11. ábra szemlélteti. A kompozitokat alkotó mátrix is és az erősítő anyag is lehet fém, kerámia, ill. polimer.

11. ábra – Az anyagok 3 nagy osztálya

és néhány példa a belőlük felépülő kompozitokra

a)

b) 12. ábra – Egykristály (a) és polikristály (b) síkmetszetének

vázlata

∗ A polimerek szerkezetét és tulajdonságait az Anyagismeret c. tantárgy második fele Czvikovszky professzor előadásában kiemelten és külön tárgyalja, ezért e jegyzetben a polimerek-kel nem foglalkozunk.

9. oldal


13. ábra – Polikristályos vas optikai mikroszkópos képe:

a sötét vonalak a szemcsehatárok

a) b)

c) d) 15. ábra – Kiválások vázlata: a fázishatár lehet

koherens (a és b), szemikoherens (c), inkoherens (d)

A polikristályos anyag lehet egyfázisú vagy többfázisú. A 13. ábrán bemutatott polikristályos vas nem tartalmaz más fázisokat (ha eltekintünk az apró foltoktól, amelyek nemfémes zárvá-nyok), ugyanakkor a 14. ábrán látható szövet-képen többféle (színben, méretben, alakban elté-rő) fázis is megfigyelhető (a „fázis” fogalmát lásd az 1.3.1. szakaszban).

14. ábra – Duplex acél optikai mikroszkópos képe

Koherens kiválások (Guinier–Preston-zónák) (Fotó: Toyohiko J. Konno, Tohoku University)

Inkoherens Fe-kiválások (Fe,Mg)2SiO4 olivinban (Fotó: Hugues Leroux, Univ. Sci. et Tech. Lille)

16. ábra – Kiválások transzmissziós elektronmikroszkópi (TEM-) képe. A képeken látható a léptékvonal.

A fázishatár mint felület mentén tehát egy-mástól gyakran jelentős mértékben eltérő tulaj-donságú anyagok érintkeznek. Attól függően, hogy e határfelület mentén a kristályrácsok mennyire illeszkednek, 3 féle fázishatártípust kü-lönböztetjük meg (15-16. ábra): koherens (összefüggő), inkoherens (nem összefüggő), szemikoherens (félig összefüggő).

A fázishatároknak, illetve azok koherenciájá-nak a szerepe a fémes anyagok nem kis részénél nagyon jelentős. Azokról az anyagokról van szó, amelyekben az eredeti alapanyagtól (a mátrixtól) eltérő fázisok, ún. kiválások jönnek létre 16. ábra). Tudatosan gyártanak így, pl. alumíni-umötvözeteket, turbinalapátokat stb.), ill. a he-gesztés közben is képződhetnek kiválások és okozhatnak nemkívánatos hatást számos anyag-ban. A kiválások szerepére külön is kitér a 3.4. fejezet.

10. oldal


A természetben előforduló összes kristályos anyag besorolható 7 kristályrendszerbe, melyek-nek összesen 14 alaptípusa létezik a szerint, hogy az elemi cella csúcsain kívül hol található még atom: a cella, a lapok vagy az alaplapok középpontjában. Mindezeket August Bravais határozta meg 1849-ben. A kristályrendszerek és a Bravais-féle térrácsok a következők:

A polimerek és a kerámiák jelentős részénél, ill. a rendkívül gyorsan hűtött fémolvadékoknál (fémüvegek) figyelhető meg az a jelenség, hogy az atomok nem alkotnak kristályrácsot: ezek az amorf anyagok, amelyek szerkezetének síkbeli vázlatát a 17. ábra mutatja.

17. ábra – Az amorf anyagok mikroszerkezetének vázlata

köbös vagy kockarács (Al, Cu, Fe, W), tetragonális (Cl, α-Sn, TiO2, martenzit), ortorombos (α-S, Ga, Fe3C, α-U), hexagonális (Be, Mg, Ti, Zn, grafit), romboéderes vagy trigonális (Sb, Bi, Hg), monoklin vagy egyhajlású (F, α-S, Se), triklin vagy háromhajlású (K2CrO7).

Az egyes kristályrendszerek elemi celláit és az azt kifeszítő transzlációs egységvektorok jellem-zőit a 19. ábra szemlélteti.

2.3. A kristályos anyagok mikroszerkezete

2.3.1. Kristályrendszerek

19. ábra – A térrács és az elemi cell

A színjelölések jelentése: kék = primitív, zöldpiros = lapközepes, lila = alaplapköz

A kristályos anyagok atomjai tehát térbeli kristályrácsot alkotnak: ennek legkisebb egysége az elemi cella, amelyet vázlatosan a 18. ábra szemléltet. Az elemi cella az a legkisebb térelem, amely a kristályrács 3, egymástól független irá-nyában folyamatosan ismétlődik. A szóban forgó irányok és a térelemek távolsága adja a 3 transz-lációs egységvektort, és ezek hossza (a, b, c), va-lamint az egymással bezárt szögük (α, β, γ) egy-értelműen meghatározza a kristályrendszert.

18. ábra – A térrács és az elemi cella

a. = térközepes, epes

11. oldal


PK

TKK

LKK

gyémánt 20. ábra – A köbös rácsok 3 alaptípusának,

valamint a gyémántrácsnak a golyómodellje

A térrácsban tehát a gömb alakúnak tekintett atomok olyan elrendeződést vesznek fel, amely számukra a legszorosabb illeszkedést biztosítja. Minden rácstípusban megtalálhatók azok az irá-nyok, ill. síkok, amelyek mentén, ill. amelyeken az atomok érintkeznek a legközelebbi szomszédaikkal. Ezek az ún. legsűrűbb síkok és legsűrűbb irányok kitüntetett szerepet játszanak az anyagok képlékeny alakváltozásának folya-matában.

A primitív köbös rácsban a legsűrűbb irányok az elemi cellának – amely egy kocka – az élei, a legsűrűbb síkok pedig a kocka lapjai. Ugyanilyen módon belátható, hogy a TKK rácsban a legsű-rűbb irányok a kocka térátlói, az LKK rácsban pedig a kocka lapátlói. Ez utóbbi kristályrács 3 féle elrendezésű legsűrűbb síkjának A–B–C–A–B–C típusú rétegződését mutatja a 21.a. ábra vázlata. A grafit egymáson könnyen elcsúszni képes legsűrűbb síkjainak A–B–A–B típusú ré-tegződése a 21.b. ábrán látható.

a)

b) 21. ábra – Az LKK rácsok legsűrűbb síkjainak ABCABC (a),

és a hexagonális grafit ABABAB rétegződése (b)

A 19. ábrán bemutatott 14 féle térrács közül a a legjelentősebb a köbös rácsrendszer, ugyanis a gyakorlati életben használt legfontosabb fémek és ötvözetek legnagyobb részét valamelyik köbös térrács jellemzi. A 19. ábrával ellentétben, ame-lyen a gömbök nem atomokat jelentenek, ha-nem csak rácspontokat, a valóságot sokkal in-kább érzékelteti a 20. ábra, amely azt mutatja, hogy a térrácsban az atomok a lehetséges leg-szorosabb elrendeződést veszik fel, tehát a geo-metriai adottságok szerint egymással érintkező gömböknek tekinthetők. A köbös térrács alap-változatai és jellemző példái a következők: Primitív (egyszerű) köbös; rövid jele: PK,

amelyre az egyetlen példa a polónium (Po). Térközepes köbös; rövid jele: TKK,

pl. Li, K, Na, Mo, α-Fe, Nb, Ra, Ta, V, W stb. Fontos kristálytani jellegzetessége egy kristály-rácsnak a térkitöltési tényező, amely az atomok által elfoglalt, az elemi cella belsejébe eső térfo-gat, valamint teljes elemicella-térfogat hányado-sa: a térkitöltés az LKK rácsban a legnagyobb, értéke 74%.

Lapközepes köbös; rövid jele: LKK, pl. Ag, Al, Au, Ce, Cu, Ir, Ni, Pb, Pt, Rh, γ-Fe. Gyémántrács; rövid jele: DIA,

pl. gyémánt, Si, Ge, α-Sn („szürkeón”) 13°C alatti hőmérsékleten.

12. oldal


a) b)

c) d)

e) f)

g) h)

i) 22. ábra – Pontszerű rácshibák sematikus képe

2.3.2. A kristályhibák áttekintése A kristályrács definíciójából következik, hogy

ha akár csak egyetlen rácspontra vagy atomra nem teljesül az egyértelmű feltétel, ott rácshiba alakul ki. Szigorúan véve nem is létezhet tökéle-tes kristály, hiszen annak végtelennek kellene lennie, viszont még a kivételesen nagy egykris-tályok – mint pl. a nagy ásványi kristályok vagy az egykristályként növesztett turbinalapátok – is legfeljebb néhány kg tömegűek.

Az összetettség szerint haladva a kristályhibá-kat az alábbi csoportokba sorolhatjuk: rácsrezgések vagy fononok, pontszerű rácshibák, vonalszerű rácshibák és felületszerű rácshibák.

– A ponthibák Amikor a kristályrács egyetlen pontban nem

tökéletes, az adott helyen ponthiba alakult ki. A ponthibák legjellemzőbb típusai: üres rácshely v. vakancia (22.a. ábra), saját fajtájú intersztíciós atom (22.b. ábra), idegen fajtájú intersztíciós (22.c. ábra), szubsztitúciós atom (22.d. ábra), intersztíciós atompár (22.e. ábra).

Többalkotós ionrácsokban (22.f. ábra): Schottky-féle hiba (22.g. ábra), Frenkel-féle hiba (22.h. ábra) Csoportos hibák, „klaszterek” (22.i. ábra).

A ponthibák keletkezésére nézve többféle el-méletet megfogalmaztak, de ezek ismertetése nélkül csak arra utalunk, hogy a ponthibákat a legjelentősebb mennyiségben a neutronokkal való besugárzás, valamint a hőmérséklet erőtel-jes növelése termeli. A hőmérséklet növekedésé-vel nem csak a ponthibák sűrűsége növekszik, de a mozgékonyságuk is: mind a vakanciák (23. ábra), mind pedig az atomok képesek a kristályrácsban való mozgásra, és ezt a jelenséget nevezzük diffúziónak.

23. ábra – Vakanciák Ge felületi rétegben; pásztázó alagútmikroszkópos (STM-) felvétel

(fotó: Bernard Aufray, CRMC2 – Univ. Marseille)

AnionKation

Amikor a fém vagy más szilárd fázisú anyag többféle atomot tartalmaz (többkomponensű), ill. több szilárd fázis van benne egyidejűleg jelen (többfázisú), a diffúzió révén számottevően mó-dosulhat az egyes fázisok kémiai összetétele, ha egyes alkotóelemek gyorsabban, mások pedig lassabban tudnak diffundálni. A diffúzió fontos szerepet tölt be az ötvözetek tulajdonságainak kialakulásában, valamint a hőmérséklettel gyor-suló, ún. termikusan aktivált folyamatokban.

13. oldal


25. ábra – Csavardiszlokáció környezetének térbeli vázlata

– A vonalszerű rácshibák, a diszlokációk Diszlokációnak az olyan kristályrácshibát ne-

vezzük, amelyre az jellemző, hogy a rács szabá-lyos rendje egy vonal mentén sérül. A 24. ábra ezt egy olyan metszetben szemlélteti, amelynek a síkja merőleges a diszlokáció vonalára. A diszlokáció merőleges a síkra (tehát a papírra is), és egyben egy olyan „extrafélsík” végződése is, amelynek metszésvonalát a „3” jelű vonal jelzi.

Attól függően, hogy a diszlokáció vonala mi-lyen helyzetű a helyi rácstorzultság irányát muta-tó vektorral (Burgers-vektor), 3 féle diszlokáció-alaptípusról beszélhetünk:

A ponthibák kapcsán láttuk, hogy azok a dif-fúzió révén mozgásra képesek. A diszlokációk esetében talán még nagyobb hangsúlyt kap a mozgásra való képesség, azonban a jelen tan-anyagban csak a legfontosabb mozgásformát említjük meg: a csúszást. A csúszás, amely a kris-tályrács maradó (képlékeny) alakváltozását eredményezi, a diszlokációk legalapvetőbb moz-gástípusa, amelyet a csúszósíkban ható csúszta-tófeszültség indít meg, ha annak nagysága meg-halad egy kritikus értéket. Ha a feszültség csúszósíkba eső komponense ezt a kritikus érté-ket nem éri el, a kristályrács csak rugalmasan torzul, és a terhelés megszűnte után visszanyeri eredeti alakját. A diszlokáció csúszásának elemi lépéseit a 26. ábra szemlélteti.

éldiszlokáció (24. és 27. ábra), csavardiszlokáció (25. ábra), vegyes diszlokáció, pl. hurok.

A diszlokációk környezetében a rács torzul, feszültségek ébrednek: a 24.b. ábrán a vízszintes egyenes jelöli az éldiszlokáció csúszósíkját, amely felett a kristályrácsot nyomófeszültség, alatta pe-dig húzófeszültség terheli. A csavardiszlokáció vonala mentén a kristályrácsra csak nyomófe-szültség hat.

a)

b) 24. ábra – Éldiszlokáció környezetének „keresztmetszete”.

A világos zónát húzó-, a sötétet nyomófeszültség terheli. 26.

27. ábra – Éldiszlokáció elektronmikroszkópi képe

Nyomott zóna

Húzott zóna

26. ábra – Éldiszlokáció csúszásának elemi lépései
14. oldal


A diszlokáció csúszásának szemléltetésére bi-zonyosan szemléletes példa egy hosszú szőnyeg elmozdítása, illetve a giliszta vagy a hernyó to-vahaladásának mechanizmusa (28. ábra). Való-ban, a három példa és az éldiszlokáció csúszása is olyan mozgásmechanizmust jelent, amelynél egyszerre nem az egész anyagmennyiség, hanem annak csak egy egészen kis része van mozgás-ban (a T vagy a ⊥ jel utal a diszlokáció pillanat-nyi helyére).

A példaként mutatott adatokból szembe ötlik, hogy az erősen alakított fémekben a diszlokációsűrűség nagyságrendekkel megnő (Talakítási < ½Tolvadáspont hőmérsékleten). Azt, hogy a képlékenyalakítás (pl. hengerlés, kovácsolás, hajlítás stb.) hatására a szemcsék alakja meg-változik, a szövetszerkezet optikai mikroszkópos vizsgálatakor észlelni lehet (29. ábra). Ez a de-formáció minden egyes krisztallitot érint, bár ko-ránt sem biztos, hogy azonos mértékben. Ha egyetlen szemcsét választanánk ki a sokkristályos anyagból, annak az egyetlen krisztallitnak a kép-lékeny alakváltozása a 30. ábrán látható módon menne végbe: a csúszósíkokon végighaladó diszlokációk mindegyike egy-egy elemi elmozdu-lással járul hozzá a makroszkopikusan is észlel-hető alakváltozáshoz.

28. ábra – Az éldiszlokáció mozgásának analógiája

(Barrett, Nix, Tetelman, The principles of engineering materials)

Mivel a makroszkopikus képlékeny deformá-ció sok esetben többtíz százalék is lehet, a lágyí-tott anyagok mégoly nagy (107 cm–2) diszlokációsűrűsége sem lenne elegendő ennek teljesítéséhez. Ezt a „problémát” az anyag oly módon oldja meg, hogy az alakváltozás közben, az azt létrehozó feszültség hatására diszlokációk termelődnek a krisztallitokban, az ún. Frank–Read-források aktiválódása eredményeként.∗

Ily módon az anyag makroszkopikus képlé-keny alakváltozásának magyarázata is egyszerű-vé válik, és az a – 100 éve még megoldatlan – probléma is feloldható, hogy a tiszta fémek gya-korlati szilárdsága több nagyságrenddel elmarad az ún. elméleti szilárdságtól, a G csúsztató ru-galmassági modulustól. A diszlokációelmélet megalapozása Sir Geoffrey ngram Taylor nevé-hez fűződik, és a kidolgozásában igen jelentős szerepet játszott a magyar Orowan Egon (1901–1989.) is. 29. ábra – Szövetszerkezeti kép hengerlés előtt és után

I

Az gyakorlatban használt anyagok szinte el-képesztően nagy számban tartalmaznak diszloká-ciókat. A diszlokációsűrűséget röntgendiffrakciós mérésekkel lehet meghatározni, és vagy az egy-ségnyi térfogatra jutó diszlokációk összes hosszú-ságával, vagy pedig az egységnyi keresztmetsze-tet döfő diszlokációk számával adjuk meg – az utóbbi az elterjedt dimenzió. Álljon itt néhány példa a diszlokációsűrűség értékére:

30. ábra – Az alakváltozásnál lezajló elcsúszások vázlata és egy húzással alakított Zn-egykristály képe

Kristályos félvezetők 101–103 cm–2 Kerámiák 104–106 cm–2 Nagytisztaságú fémek 105 cm–2 Lágyított fémek 107–108 cm–2 Erősen alakított fémek 1011–1013 cm–2

∗ A Frank–Read-források működését, és a kristályrácshibák egészét részletesen tárgyalja: Prohászka János, A fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságai, Műegyetemi Kiadó 2001.

15. oldal


A diszlokációk valamely külső hatásra sajátos alakzatokat tudnak a kristályrácsban létrehozni: hurkokat (31.a. ábra) felhalmozódásokat vala-mely akadály – pl. kiválás, zárvány – körül (31.b. ábra), diszlokációfalakat (31.c. ábra) vagy spirálokat (31.d. ábra).

– A felületszerű kristályrácshibák Amennyiben a kristályrács hibát tartalmazó

részének mérete kétdimenziós, síkhibáról, általá-nosabb esetben felületszerű vagy kétméretű hi-báról beszélünk. A felületszerű hibák fő típusai a következők:

a)

b)

c)

d) 31. ábra – Diszlokációkból felépülő különféle alakzatok

transzmissziós elektronmikroszkópi képe

szabad felület, fázishatár, szemcsehatár és szubszemcsehatár, ikerhatár, rétegződési hiba.

A szilárdtesteket az őket körbevevő fázistól (többnyire gáz) a szabad felület választja el, amely csak ritkán sima, de atomi méretekben még ilyenkor is lépcsőket, gödröket, dudorokat tartalmaz. Jól mutatja az atomi dimenziókban uralkodó helyzetet egy tükrösre munkált Cu-próbatest felületén a 32. ábra.

Minden felület – mivel rajta a termodinamikai egyensúlytól nagyon távoli energiaviszonyok uralkodnak – egy felületi energia jellemez, amely függ egyebek mellett a kristályorientációtól is: a legkisebb energia az atomokkal legsűrűbben pa-kolt síkokat jellemzi, mivel e síkok atomjainak kötései vannak a legkevésbé elszakítva. A szabad felület fontos szerepet játszik számos folyamat-ban, mint pl. a súrlódás, a katalízis, a hegesztés, az oxidáció vagy a vékonyrétegek növesztése.

a)

32. ábra – Réz felületének atomierő-mikroszkópos (a)

és pásztázó alagútmikroszkópos képe (b)

16. oldal


Az ikerhatárok az ikresedés következtében alakulnak ki, amely utóbbi jelenség egy további lehetőség (a csúszáson kívül; lásd a 26. ábrát) a kristályos anyagokban a képlékeny alakváltozás-ra. Az ikresedés a kristálysíkok átrendeződése a kristálynak egy többnyire szűk tartományában. Ebben a tartományban – az ikerben – az elmoz-dult atomok új helyzete tükörszimmetrikus az eredetivel, és az a két (esetleg több) sík, amely határolja az ikret, maga a szimmetriatengely, ezt mutatja a 34. ábra.

A fázishatárokat a 15. ábra kapcsán már be-mutattuk. A szemcsehatárokról is már elmond-tuk, hogy elválasztják a különböző orientációjú térfogatelemeit a kristályos anyagnak (33. ábra). A szemcsehatárok között kialakulásuk és az elvá-lasztott tartományok orientációjának különbsége alapján megkülönböztetjük a következő típuso-kat: Kisszögű határ: az orientációkülönbség

< 10° (nem ritkán: < 15°). Gyakran nevezik őket szubszemcsehatároknak is, az általuk elvá-lasztott tartományokat pedig szubszemcséknek.

34. ábra – Az ikresedés síkbeli és térbeli vázlata

Nagyszögű határ: az orientációkülönbség > 10° (nem ritkán: > 15°).

A szemcsehatárokhoz is jelentős szabadener-gia-többlet társul, ezért a kristályos anyag metas-tabilis részeinek számítanak, ami azt is jelenti, hogy megfelelő viszonyok között (pl. izzításkor) képesek elmozdulni, amelynek eredménye többnyire az összes szemcsehatár-felület csökke-nése. Az idegen atomok, pl. a szennyezők elő-szeretettel dúsulnak a szemcsehatárokon, általá-ban gyorsabb itt a diffúzió, a korrózió, ugyanak-kor az éldiszlokációk fennakadnak rajtuk. Min-debből érzékelhető, hogy a szemcsehatárok ki-tüntetett szerepet játszanak a mechanikai tulaj-donságok alakulásában.

a)

b) 35. ábra – Ikerhatárok képe mikroszkópi csiszolaton:

a) ausztenitben (fotó: Verő Balázs, 1980.) b) Vörösréz próbatest maratott felületén

a) Szemcsehatárok elrendeződésének vázlata:

B–C = kisszögű határ, A–B = nagyszögű határ

Nagy hőmérsékletű szupravezető kerámia

szemcsehatárának nagyfeloldású TEM-képe (fotó: G. Hammerl, University of Augsburg)

33. ábra – Szemcsehatárok

17. oldal


A rétegződési hibák annak a szabályos sor-rendnek a lokális zavara esetén jönnek létre, amelyet a 21.a. ábra szemléltetett az LKK kris-tályrács atomokkal legsűrűbben rakott síkjainak példáján, ill. itt is látható a 36. ábrán. Felületi hibák lévén, a rétegződési hibák növelik a kris-tályrács szabadenergiáját, ezzel közrejátszanak a nagy hőmérsékleten lejátszódó, valamint az is-métlődő terhelés miatt bekövetkező károsodási folyamatokban. Transzmissziós elektronmikrosz-kóppal jól megfigyelhetők, amint a 37–38. ábra mutatja.

38. ábra – Nagyméretű rétegződési hibák TEM-képe

36. ábra – Az legsűrűbb illeszkedésű síkok ABCABCABC

rétegződése a hibamentes LKK rácsban (fent), és az alsó képen, valamint a rétegződési hibában: ABCABABC

2.3.3. A nanoszerkezetű anyagok Az utóbbi 2 évtizedben kialakult nanoszerke-

zet szó is abba a csoportba tartozik, amelyben a kifejezések a kis méretre utalnak. A szóban forgó csoporton belül a ma már klasszikus kifejezések a mikro előtaggal kezdődnek, mint pl. a mikroe-lektronika. A nano elõtag a nm hosszegységbõl származtatható, és arra utal, hogy ez a tudo-mányterület – de ma már talán inkább: ez az iparág – a nanométeres dimenziókban kívánja befolyásolni az anyag szerveződését.

A „nanoszerkezet” kifejezést a szabványosítás a következő értelmezésben említi: az anyag pon-tos, különleges alakzatban való atomos elrende-zését jelenti, amely magában foglal legalább egy nélkülözhetetlen alkotóelemet. Ez az alkotóelem kizárólag egy atomból, egy molekulából vagy az atomok és molekulák módfelett korlátozott cso-portjából áll, amely mennyiség optikai mikrosz-kóppal nem ismerhető fel, és amelyeket atomja-iknak vagy molekuláiknak mint különálló egysé-geknek az egyedi manipulálásával formáltak.

A nanoanyagok, illetőleg a nanokristályos anyagok említésekor olyan anyagokra kell gon-dolni, amelyekben a gyártáskor kialakuló szem-cseméret az 1–100 nm mérettartományba esik. Ide sorolják azokat az anyagokat is, amelyeknél ez a feltétel legalább a tér egyik irányában mérve teljesül. Mindez akkor igazán figyelemkeltő, ha meggondoljuk, hogy a hagyományos kristályos anyagok átlagos szemcsemérete a 10–100 µm (1 µm = 1000 nm) tartományba esik, ill. azt, hogy az atomok átlagos mérete 1–2 angström (1 nm = 10 Å). Tehát a nanokristályos anya-gokban alig néhány tucat atom alkot 1 kristályt.

37. ábra – Kisméretű rétegződési hibák TEM-képe

A nanoszerkezetű anyagokat különleges mechanikai tulajdonságaik emelték a figyelem középpontjába: rendkívül nagy a szilárdságuk, kemények, de egyben szívósak még nagy hő-mérsékleteken is, jól ellenállnak a legkülönfélébb

18. oldal


A nanokristályos anyagok számos kutatási és mindennapi területen jelen vannak. Az űrkuta-tásban SiC nanocsöveket használnak a sugárzás- és hőálló szenzorokhoz (40.a. ábra). Az energia-tárolást forradalmasíthatják a szén nanocsövek. Olyan közismert területen is megjelentek, mint az adattárolás: a nanokristályos szilícium alapú elektronikus gyorsmemóriák (40.b–c. ábra) ma már széles körben elterjedt informatikai eszkö-zök. Jelképének a „Buckminster-fullerént”, azaz a C60 molekulát tekinti a nanotechnológia (40.d. ábra). A szénatomoknak ezt a különleges szerveződési formáját H. Kroto, J. Heath, S. O'Brien, R. Curl és R. Smalley publikálta elő-ször 1985-ben, a Nature c. folyóiratban.

koptató és korróziós hatásoknak, más típusaik viszont kémiailag nagyon aktívak lehetnek.

A harmadik évezredbe lépve, világszerte óriá-si lendületet kapott a nanoszerkezetű anyagok kutatása, széles értelemben a nanotechnológia. Jól példázza ezt a 39. ábra, amely a nanotechnológia államilag finanszírozott kutatási költségvetésének változását mutatja a legfejlet-tebb ipari régiókban:

1998 2000 20020

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Köl

tség

veté

si rá

ford

ítás,

[ m

illió

US

D ] Ny-Európa

Japán USA Egyéb Összes

39. ábra – A nanotechnológia állami ráfordításainak trendje

a)

b)

c)

d) 40. ábra – Nanokristályos anyagok szerkezete: szén nanocsövek (a) és fullerén makromolekula (d),

valamint alkalmazási példák (b–c)

A 39. ábra azt jelzi, hogy szinte páratlan for-ráskoncentráció valósul meg a nanotechnológiai területre, s ebben egymással versengenek a nagy ipari központok. Az ábra külön nem is tünteti fel, de pl. a Koreai Köztársaság 2002-re 1,56 Mrd USD forrást rendelt a nanotechnológiai kutatá-sokra (EE Times, 2002. 03. 20.), Kína pedig 2005-re 3 Mrd USD-t tervez (Taipei Times, 2002. 02. 10).

Magyarországon is államilag dotált kutatási prioritás a nanotechnológia, és a BME doktori témái között szerepel, pl. a hegesztés során ki-alakuló nanoszerkezet és a makroszkopikus tu-lajdonságok közötti kapcsolat meghatározása.

19. oldal


2.3.4. A fázisátalakulások A fémes szerkezeti anyagok tulajdonságainak

megismerése, és az ezeket a tulajdonságokat nagymértékben determináló gyártási és feldolgo-zási technológiai folyamatoknak a megértése ér-dekében kiemelkedő jelentőséggel bír a fázisát-alakulások ismerete. A fázis fogalmát már defini-áltuk az 1.3.1. szakaszban; a definícióból követ-kezően leszögezhetjük, hogy amennyiben a tö-megére nézve állandónak tekintett anyag pilla-natnyi fázisviszonyaiban valamilyen – akár mennyiségi, akár minőségi – változás következik be, az csak fázisátalakulás révén következhet be. A fázisátalakulás(ok) eredménye tehát jelentheti a fázisok számának és mennyiségének a válto-zást, ill. a kettőt egyszerre.

A fázisviszonyok egyensúlyával és megválto-zásával kapcsolatos folyamatokat egy komoly tudományág, a termodinamika vizsgálja és ér-telmezi. A jelen tananyag keretében ennek min-dössze egyetlen és leegyszerűsített törvényére, a Gibbs-féle fázisszabályra hivatkozunk: e szerint egy termodinamikai rendszert alkotó komponen-sek (K), az azokból létrehozható fázisok (F) és a szabadon változható állapothatározók (SZ = „szabadsági fok”, jellemzően a hőmérsék-let és a koncentráció) száma között az alábbi ösz-szefüggés áll fenn: F + SZ = K + 1.

41. ábra – A halmazállapot-változások rendszerezése

– A halmazállapot-változások A fázisátalakulások általános esetben a hal-

mazállapot-változásokat jelentik, megnevezésük a 41. ábrán látható. A szublimáció jelenségéről akkor beszélünk, amikor a szilárd fázisú anyag közvetlenül elpárolog. Ily módon is fogynak a gleccserek, és az élelmiszerek kiszárításának egyik módszere, a liofilizálás is a szublimáció je-lenségén alapul. A szublimáció inverz fázisátala-kulása az alapja a korszerű bevonatolási és vé-

konyréteg-technológiáknak (PVD és CVD∗), amelyek arra szolgálnak, hogy a gőz fázisból a céltárgy felületére jussanak az előzőleg elporlasz-tott anyag atomjai.

A fémes anyagok esetében a fagyás kifejezés helyett a dermedés, kristályosodás, illetve meg-szilárdulás kifejezéseket illik használni. A fémol-vadékok kristályosodásának számos típusa is-mert, amelyek közül – átfogó rendszerezés és termodinamikai leírás nélkül – megemlítjük a dendrites kristályosodást, amely a 42.a. ábrán látható, jellegzetes szerkezetet eredményez.

a)

b)

42. ábra – a) korrózióálló acél dendrites kristálya

(fotó: L. A. Boatner, J. Gardner, D. Corrigan, Oak Ridge National Laboratory),

c) Ho-Mg-Zn „kvázikristály” (fotó: I.R. Fisher, 1999) b) hókristályok,

∗ CVD = chemical vapor deposition, kémiai gőzfázisú levá-lasztás, PVD = physical vapor deposition, fizikai gőzfázisú le-választás (gyakran vákuumporlasztásként, vákuumgőzölés-ként is emlegetik)

20. oldal


21. oldal

Állandó hőmérsékleten is teljes, tehát az eredeti fázis teljes mennyisége átalakul. – Az allotrop átalakulás

Egyes fémek és sok ötvözet hűtésekor vagy hevítésekor olyan fázisátalakulások figyelhetők meg, amelyeknél mind az eredeti, mind az új fá-zis szilárd. Az ilyen fázisátalakulások neve: allot-rop átalakulás. Egy anyagnak ama tulajdonsá-gát, hogy atomjai a hőmérséklet függvényében többféle kristályrácsot alkotnak, polimorfizmus-nak nevezik; pl. a szénnek allotrop módosulata a grafit, a gyémánt és a C60 makromolekula (43. ábra), ill. az ónnak a fehér- és szürkeón. A gyakorlati fontosság miatt a vas, ill. a szenet tar-talmazó változata, az acél allotrop átalakulásai mondhatók a legjelentősebbnek: a δ-vas (TKK) → γ-vas (LKK) → α-vas (TKK) átalakulás hűtés-kor, ellenkezője hevítéskor játszódik le.

Első lépésként az eredeti fázis valamely ki-tüntetett pontján (főleg a szemcsehatárokon) ki-alakul az új fázis egy csírája, és ha ez eléri a kriti-kus méretet, a magképződést növekedés követi.

A diffúzió nélküli v. martenzites átalakulások-ról akkor beszélünk, amikor a kristályrács átala-kulása nem az atomok diffúziós mozgásával, ha-nem komplex nyíró-alakváltozás okozta átrende-ződésével megy végbe, jellemzően a gyors hűtés alkalmával. Az acélok példáját véve, az eredeti fázis az ausztenit, az új fázis a martenzit, és az át-alakult tömeghányadot az alábbi egyenlet írja le, amelyben y az átalakult tömeghányad, T a hő-mérséklet, MS az anyagtól függő határhőmérsék-let („martenzit start”), k és n konstansok:

43. ábra – A szén allotrop módosulatai

)])(exp[1 nS TMky −−−= .

a) 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

t75

t50

t25 ti

T = állandó75%

25%

50%

tát

Átal

akul

t töm

eghá

nyad

Idő, lg(t)

b) 0,0 0,5 1,0

MF

M98

M50

0,5

Martenzit

Hőm

érsé

klet

Átalakult tömeghányad

mM T

44. ábra – A diffúziós és a martenzites átalakulás menete

– A diffúzió szerepe a fázisátalakulásokban A diffúzió (lásd a 2.3.2. szakaszt) a fémek és

ötvözetek tulajdonságainak egyik meghatározója lehet. A fázisátalakulások egyik lehetséges cso-portosítása szerint megkülönböztetünk:

AusztenitMS

mA diffúziós átalakulásokat és diffúzió nélküli átalakulásokat.

A diffúziós átalakulások közé a hevítéskor és hűtéskor, avagy izotermikusan lezajló olyan al-lotrop átalakulásokat soroljuk, amelyekben a dif-fúzió – az atomok koncentráció-, hőmérséklet- és időfüggő mozgása – a meghatározó. Ugyancsak diffúziós átalakulások az ún. termikusan aktivált folyamatok, pl. a kiválások képződése. Az izo-termikus diffúziós átalakulások időbeli lefolyását szigmoid görbe alakú függvények (44.a. ábra) írják le, pl. a Johnson–Mehl–Avrami-egyenlet, amelyben y az átalakult tömeghányad, t az idő, k és n konstansok:

A 44.b. ábra alapján a martenzites átalakulás néhány lényeges jellemzője a következő: Amint a hőmérséklet az MS alá csökken,

azonnal, inkubációs idő nélkül elkezdődik.

( )ntky ⋅−−= exp1 . Ha a hőmérséklet nem csökken az MF

(„martenzit finis”) érték alá, az átalakulás nem megy végbe teljes mértékben: a 44.b. ábra sze-rint T hőmérsékleten mA mennyiségű „maradék ausztenit” marad az anyagban.

A 44.a. ábra alapján a valamely hőmérsékle-ten már nem stabil fázisok diffúziós átalakulásá-nak fontosabb jellemzői a következők: Nem azonnal kezdődik meg, hanem egy

bizonyos ti inkubációs idő után. Az átalakulás kvázi-pillanatszerű. Az acélokban csak hűtéskor játszódhat le,

de több ötvözetben (pl. Ni-Ti) hevítéskor is, vagy mechanikai feszültség hatására.

Az átalakulás időbeli lefolyását szigmoid görbe jellegű függvény írja le.

2. az anyagok szerkezete a szilárd anyagokat a ... · (fotó: hugues leroux, univ. sci. et tech....

Documents