KURZUS: 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 ]