Keménységmérés

Brinell keménységmérés

A Brinell keménységmérés során D átméröjü edzett acél vagy ritkábban kemény fém golyót F terhelö erövel belenyomunk a darabon elökészített sík felületébe. Ezáltal d átméröjü, h mélységü gömbsüveg alakú lenyomat képzödik. Brinell keménységen az F terhelö erö és a lenyomat felületének hányadosát értjük. Jele: HB. A keménységet mértékegység nélküli számnak tekintjük! A mérésnél használt golyó legalább 850 HV keménységü edzett acél, átméröje D 10; 5; 2,5; 2 és 1 mm lehet. A Brinell keménység kiszámításának módja: HB=/ A= /

Vickers keménységmérés

A ~ során 136˚ csúcsszögü négyzet alapú gyémánt gúlát nyomunk F terheléssel a próbadarab felületébe. A terhelés megszüntetése után a négyzet alakú lenyomat átlóit (d) mérjük. A Vickers keménység a terhelö erö és a lenyomat felületének hányadosa A ~ kiszámításának módja: HV=0,102*1,854*F[N]/d^2

Rácsrendezetlenségek, rácshibák

A rendezetlenséget kiterjedésük szerint csoportosíthatjuk:

Nulldimenziós (pontszerü) rácshibák

Egydimenziós (vonalszerü) rácshibák

Kétdimenziós (sík) rácshibák

Pontszerü rácshibák

Akkor beszélünk róla, ha a hiba a kristályrácsnak csak egy- két átmérönyi részére korlátozódik. Fajtái:

üres rácshelyek, hiányhelyek (vakanciák)

Frenkel féle hibapár (üres rácshely és saját atom intersztíciós helyzetben)

Idegen atomok beékelödéses vagy helyettesítö helyzetben

A fémkristályokban mindig vannak üres rácshelyek. Az atomok a rácson belül az üres helyekre beugorva szilárd állapotban vándorolhatnak, ezzel lehetövé téve a diffúziót.

Egydimenziós rácshibák

Az egyméretü rácshibákat diszlokációnak nevezzük. Ezek teszik lehetövé a fémek könnyü a 626i88g lakíthatóságát.

Az alapvonal hossza 100 %- nak felel meg. A vonal egyik végpontja a tiszta A, másik pedig a tiszta B- nek felel meg. A közbensö pontok pedig A- tól B- felé haladva a két alkotó 100 %- át mutatják, mégpedig úgy, hogy A csökken, B pedig növekszik. A függöleges tengelyen a hömérséklet szerepel. A kristályosodás kezdetét jelölö pontok összekötésével egy olyan görbét kapunk, ami az ötvözet rendszer ötvözetei esetén a kristályosodás kezdetének hömérsékleteit mutatja. Ezt a vonalat likvidusz vonalnak nevezzük. A kristályosodás végét jelölö pontok összekötésével pedig a szolidusz vonalat kapjuk.

Eutektikum képzödés esete (Tamman 1.)

A Tamman 1. ábra arra az esetre vonatkozik, amikor az alkotók, folyékony állapotban minden arányban, szilárd állapotban pedig egyáltalán nem oldják egymást. Két ilyen elem között a kristályosodás a két szilárd fázis váltogatásával történik, és lemezes vagy szemcsés szerkezetü kétfázisú szövetelem, az eutektikum keletkezik. Az eutektikum képzödés általános alakja: olvadék (E)↔ szilárd (1)↔ szilárd (2).

Rockwell keménységmérés

A Rockwell mérés különbözö benyomó szerszámokkal létrehozott lenyomat mélységéböl következtet a keménységre. A benyomó szerszám 1, 59 mm átméröjü edzett acél golyó, vagy 120˚ csúcsszögü gyémánt kúp. A terhelést két fokozatban adjuk. Az elöterhelés szerepe, hogy a szerszám megbízhatóan érintkezzen a darabbal. A föterhelés megszüntetése után a lenyomat leolvasható a Rockwell keménységméröre szerelt óráról. A Rockwell keménység méröszáma: HRA és HRC esetében 100- e, HRB esetében 130- e, ahol e a benyomódás maradó mélysége a föterhelés levétele után 0, 002 mm egységben kifejezve.

Dinamikus terheléssel szembeni viselkedés, a szívósság vizsgálata

Az anyagok lehetnek szívósak képlékenyek és ridegek. A szívós vagy képlékeny anyagokban a törést jelentös nagyságú maradó alakváltozás elözi meg, ami sok energiát emészt fel. Ugyanakkor a rideg, nem képlékeny törés esetében a törést nagyon kicsi, vagy semmi maradó alakváltozás sem elözi meg, és viszonylag kevés energiát kell befektetni az anyag eltöréséhez.

Kétdimenziós rácshibák

A kétdimenziós rácshibák folytonosságot megszakító változásokat okoznak a rácsorientáltság, vagy a rácsok közötti távolság tekintetében.

Ötvözetek szerkezete

Az ötvözet fogalma

Ötvözeten olyan, legalább látszatra egynemü, fémes természetü elegyet értünk, amelyet két vagy több fém összeolvasztása, vagy egymásban való oldása útján nyerünk. A két vagy több alkotóból elöállítható ötvözetek összességét ötvözet rendszernek nevezzük.

Szilárd oldat

A szilárd oldat olyan jellegü fázis, melynek alkotói közösen építik fel a rácsszerkezetet. A szilárd oldat rácsszerkezete mindig megegyezik az oldó fém rácsszerkezetével. Az ötvözöfém atomjai kétféleképpen illeszkedhetnek be:

szubsztitúciós, vagy helyettesítéses

intersztíciós, vagy beékelödéses

Az oldódás lehet korlátozott vagy korlátlan.

Szubsztitúciós szilárd oldat képzödik, ha:

Szilárd oldat kristályosodása (Tamman 6.)

A két fém folyékony és szilárd állapotban minden arányban oldja egymást. Az oldódás korlátlan.

Két szilárd oldat eutektikus rendszere (Tamman 7.)

A fémeknél nagyon gyakori az az eset, hogy a két fém folyékony állapotban, minden arányban, szilárd oldatban pedig csak bizonyos százalékban, tehát korlátozottan oldja egymást. Ilyen típusú ötvözetrendszer a közel azonos olvadáspontú fémeknél figyelhetö meg.

Vas- karbon ötvözet rendszer

A vas legfontosabb ötvözöje a karbon. A vas- karbid és a vas- grafit ötvözeteknek kétféle diagrammjuk van. A két diagrammnak egy koordináta rendszerben való ábrázolása Heyn- Charpy nevéhez füzödik, és Heyn- Charpy féle ikerdiagramnak nevezzük. A két diagram közül természetesen csak az egyik felelhet meg az egyensúlyi állapotnak, ez pedig a vas- grafit rendszer. A vasötvözeteket töretük alapján is megkülönböztethetjük, a grafitos ötvözetek törete szürke, míg a vaskarbidot tartalmazó ötvözetek törete fémes, tehát fehér.

Az állapottényezök közül a hömérséklet csökkenése a rideg törést segíti elö, mert akadályozza a képlékeny alakváltozást. Az igénybevétel sebességének növelése is elösegíti a ridegtörést.

Ütve hajlító vizsgálat

Az ütve hajlító vizsgálat célja az anyag szívósságának meghatározása. A vizsgálatot ingás ütömüvel végezzük, amelynek segítségével egyetlen ütéssel eltörünk egy bemetszett próbatestet. A próbatest V vagy U alakú bemetszéssel van ellátva. A kísérlet során a próbatestben elnyelt munka az ütömunka: K= G(r)* (ho- h1) [J]

A fajlagos ütömunka az ütömunka és a próbatest eredeti keresztmetszetének hányadosa a bemetszés helyén J/ cm^2- ben:

KCV= KV/ S(o) [J/ cm^2] illetve KVU= KU/ S(o) [J/ cm^2]

ahol KV és KU az ütömunka [J]

S(o) a próbatest keresztmetszetének területe a bemetszés helyén

Ismételt igénybevétellel szembeni viselkedés

A kifáradás jelensége és vizsgálata

Azt a jelenséget, amikor egy anyag az ismételt igénybevételek során bevitt, halmozódó károsodások hatására a folyáshatárnál kisebb terhelés esetén eltörik, kifáradásnak nevezzük.

azonos rácsszerkezet

atomátméröben +/ - 14- 15%- nál nem nagyobb eltérés van

azonos vegyérték

az elektrokémiai potenciálban nem nagy eltérés

A szilárd oldat másik fajtája az intersztíciós, vagy beékelödéses. Ez a fémek és a kis rendszámú, kis átméröjü elemek között keletkezhet.

Fémvegyület

Fémvegyületnek olyan két vagy többalkotós kristályos fázist nevezünk, melynek alkotói közös kristályrácsba illeszkednek be, de ez a rácsszerkezet független az alkotók rácsszerkezetétöl.

A fémek és ötvözetek kristályosodása, átalakulásai

A rendszer egynemü, homogén, vagy egy fázisú, ha bármely része fizikailag és kémiailag azonos tulajdonságokat tud mutatni.

A rendszer heterogén, ha két, vagy több önálló határoló felülettel elválasztható részekböl, fázisokból áll.

A rendszer homogén, önálló határoló felülettel elkülöníthetö fázisnak nevezzük. Jele: F

Komponensnek nevezzük a rendszert felépítö azonos atom fajtájú anyagokat. Jele: K

A Fe- Fe(3)C ötvözetek diagramja

1392 Celsius fok alatt, egészen 4, 3%- ig a kristályosodás a BC likvidusz szerint gamma szilárd oldat formájában történik. Ez a szilárd oldat az ausztenit. Korlátozottan oldja a karbont, maximális C oldó képessége van. Az allotróp átalakulások a szilárd oldat fázisokban is lejátszódnak, így a lapközepes köbös gamma ausztenit meghatározott hömérsékleten térközepes köbös alfa szilárd oldattá, ferritté alakul.

Polimerek szakítódiagramja:

A folyamat repedések keletkezéséböl, azok terjedéséböl, és a végsö törésböl áll. A terhelö feszültség csökkentésével, az acélokra meghatározható egy olyan jellemzö feszültség, amellyel akár  végtelen sokszor terhelhetö anélkül, hogy eltörne. Ezt a feszültséget nevezzük az acél kifáradási határának. Jele: σ(D). A terhelö feszültséget a törésig elviselt ismétlések számának függvényében ábrázolva a Wöhler görbét kapjuk. A görbe asszimptótikusan közelít kifáradási határhoz. Két jól elkülöníthetö részböl áll, a kifáradási szakasz és az élettartam szakasz. A fárasztó vizsgálatok eredményeit több tényezö befolyásolja: a középfeszültség, az igénybevétel típusa, a közeg, amelyben a fárasztás történik, a darab felülete, a próbatest mérete. A fárasztó vizsgálatoknak két nagy csoportját különböztetjük meg. Az egyik a repedést nem tartalmazó alkatrészek kifáradása, a másik pedig a repedést nem tartalmazó alkatrészek kifáradása.

Vas és acélgyártás

A vasat vasércböl, ami oxidos, vagy oxiddá alakítható formában tartalmazza a vasat, nagyolvasztóban, feketeszénböl elöállított

Az állapothatározók: hömérséklet, nyomás, koncentráció.

Az állapothatározók és a fázisok száma között egyensúly esetén összefüggés van. Ezt a Gibbs- féle fázisszabály fejezi ki, miszerint a fázisok (F) száma és a szabadsági fokok (Sz) számának összege kettövel több, mint a komponensnek (K) száma: F+ Sz= K+ 2. Ez a szabály általános alakja, ennek fémekre vonatkozó alakja: F+ Sz= K+1.

A rendszer adott körülmények között akkor van egyensúlyban, ha a szabadenergiája minimális. A rendszer mindig a legalacsonyabb energiaszintre törekszik.

A dermedés, kristályosodás folyamata

Az atomok a rácsszerkezetben rezgö mozgást végeznek. Ennek amplitúdója a hömérséklettel arányos. Ha a hömérséklet elég magas, az amplitúdó olyan nagy lehet, hogy már az atomok elszakadnak egymástól, mert nem hat a vonzerö, a fém megolvad. A folyékony fém hütésekor az atomok mozgási energiája csökken, és ha elegendöen közel kerülnek egymáshoz, összekapcsolódnak. A fém dermedése tehát úgy kezdödik, hogy az olvadékban az atomok összekapcsolódásával kristály csírák képzödnek.

Lágyacél szakító diagrammja:

kosszal redukálják. A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok közül a leglényegesebbek a redukciós folyamatok. Ezek az indirekt redukció (FeO+ CO= Fe+ CO (2)+ Q), és a direkt redukció (FeO+ C= Fe+ CO- Q). A redukálódott vas lecsöpög a nagyolvasztó alsó, medence részébe. A nagyolvasztó terméke a nyersvas. Az acélgyártás alapvetö folyamata az oxidáció, vagy frissítés, amely a C és a szennyezök mennyiségének csökkentése kiégetéssel. A frissítés során a vas is oxidálódik, ami káros, ezért az acél vasoxid tartalmát csökkenteni kell. A folyamat a dezoxidáció, és olyan elemekkel történik, amelyeknek nagyobb az oxigénhez való affinitása, mint a vasnak. Az alumíniumot ércéböl, a bauxitból két lépcsös eljárással nyerik. Az elsö lépés a timföld elöállítása, ami lényegében a timföld kioldása nátronlúggal a bauxitból. A második a fém alumínium elöállítása, ami tüzfolyó elektrolízissel történik. A fém az Al katódon válik ki.

Köbös rendszer

Egyszerü köbös rács

Ilyen rácsszerkezete csak a polóniumnak van. Az atomok a kocka csúcspontjain helyezkednek el.

A fémeknek azt a képességét, hogy olvadékukban hütés hatására a dermedés pont alatt spontán, külsö beavatkozás nélkül kristály csírák keletkeznek, kristályosodási képességnek nevezzük. A kristályosodási képesség méröszáma: Kk= csíra/ (cm^3* perc).

A szabálytalan határfelületekkel határolt szemcséket krisztallitnak nevezzük. A kristályok lineáris növekedési sebességét kristályosodási sebességnek nevezzük. Jele: Ks [cm/ perc].

Mindkettö függvénye a hömérsékletnek. Lassú hütésnél a csíraképzödés kicsi, kevés helyen indul meg a kristályosodás, sebessége viszont nagy. A keletkezö szemcseszerkezet durva. Gyors hütésnél viszont sok csíra képzödik, így a nagy kristályosodási sebesség ellenére is a szemcseszerkezet finom lesz.

Színfém lehülési görbéje

A lehülési görbét a Gibbs féle fázisszabállyal magyarázhatjuk.

F+ Sz= K+ 1. Ebben az esetben a komponensek száma K= 1, mivel a szín fémröl van szó. A dermedés vizsgálatakor a görbe ab, a rendszer olvadt állapotban van, tehát a fázisok száma F= 1, így a szabadsági fokok száma Sz= K+ 1- F= 1. Ez azt jelenti, hogy az egyik állapottényezö, színfém esetében a hömérséklet változhat.

Különbözö anyagok nyomódiagramja:

Térközepes köbös rács

Itt a csúcspontokon kívül a testátlók metszéspontjában is van egy atom. (lítium, nátrium, kálium, króm.)

Lapközepes köbös rács

A kocka csúcspontjain kívül az oldallapok középpontjaiban is találhatók atomok. (réz, arany, ezüst, nikkel.)

Hexagonális rendszer

Gyakorlatilag a fémek egy kisebb csoportja a Zn, Mg, Cd és a Ti egyik módosulata hexagonális szerkezetü. Az egyszerü módosulat esetében csak a hatszög alapú hasáb csúcsain találunk atomokat. Ilyen a grafit rácsa. A legsürübb illeszkedésü hexagonális rendszer elemi cellájában a csúcsponti atomokon kívül az alap és a fedölap közepén, valamint a hasáb belsejében is vannak atomok. A fémek is felvehetnek kölönbözö rácsszerkezetet. A rácsszerkezet egyértelmüen a hömérséklet függvénye. Ez a jelenség az allotrópia (fémek többalakúsága).

Amikor az olvadékban megjelennek a kristálycsírák, tehát a rendszer kétfázisúvá válik, a szabadsági fokok száma Sz= 0 lesz. Ez azt jelenti, hogy egyik állapottényezö sem változhat. Tehát színfém dermedésekor a hömérséklet állandó, a lehülési görbe vízszintes.

Szilárd oldat lehülési görbéje

Alkalmazzuk itt is 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 a fázisok száma F= 1. A szabadsági fokok száma Sz= K+ 1- F= 2, tehát az ab szakaszon mindkét állapot határozó változhat. Amikor az olvadékban megjelennek a szilárd oldat csírái, a fázisok száma F= 2 lesz, így a szabadsági fokok száma Sz= 1- re módosul, ami azt jelenti, hogy változhat a hömérséklet. A dermedés befejezödése után a szabadsági fokok száma ismét Sz= 2 lesz.

Egyensúlyi diagrammok

Az olyan diagrammot, ahol az összes lehetséges görbe jellemzöit fel tudjuk tüntetni, egyensúlyi diagrammoknak nevezzük. A diagramm vízszintes tengelyén az A és B alkotó összes lehetséges koncentrációi, függöleges tengelyén a hömérséklet van feltüntetve.

Az ütömunka változása a hömérséklet függvényében: