2015. máj 08.

FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEK

írta: Fémszerkezet
FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEK

ANYAGISMERET

FÉMEK ÉS ÖTVÖZETEK                  

Fémek tulajdonságai, csoportosítása fizikai jellemzőik alapján.

Fémes anyagok: vasanyagok és nemvas fémek

Fémek kristályszerkezete, térrácsa

A fémek szilárdsága a fémes kötés következménye. A fémes kötés kialakulásakor a fématomok leadják lazán kötött elektronjaikat, és így pozitív töltésű fématomok, fémionok keletkeznek. a szabaddá vált elektronok körülveszik a fémionokat, negatív töltésű elektronfelhőt képeznek. A fémionok (pozitív) és az elektronok (negatív) ellentétes töltése hozza létre azokat a kötőerőket mely hatására a fém kristályszerkezetet (kristályrács) vesz fel. Ez a kristályszerkezet adja az anyag szilárdságát.

Az atomok (fémionok ) meghatározott elrendezést alakítanak ki, azaz elemi cellákba rendeződnek(pl. 2 vagy 4 atomból állhatnak). Az elemi cellák egymáshoz kapcsolódva geometriai rácsszerkezetet alakítanak ki. Ezt nevezzük kristályrácsnak. A térrácsok kristályokká állnak össze és ezekből a kristályokból alakul ki a fém anyagszerkezete.

  • áramvezetők (ennek oka a delokalizált elektronrendszer), jó hővezetők, valamint egyesek a hangot is jól vezetik;
  • jól ötvözhetők, jól megmunkálhatók;
  • oxidálódnak
  • nincs fizikai oldószerük, kémiailag többnyire savakban oldódnak;
  • kristályos szerkezet, halmazaikra fémes kötés jellemző;
  • atomjainak külső héján kevés (1, 2, 3, igen ritkán 4) elektron található.

Rácsszerkezet

. A fémes kötés nem irányított, a közös elektronok a rácspontok között viszonylag szabadon mozognak. Ez a szerkezet magyarázza a fémek tulajdonságát: jól vezetik az áramot és a hőt.

Lapközepes köbös rács                             Térközepes köbös rács

Pl.: arany, ezüst, réz, alumínium               Pl.: nátrium, kálium, vas.

kockak_1.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hatszöges rács: Olyan hatszög alapú hasábokból épül fel, amelynek két lapján hét-hét, a hasáb közepén pedig három részecske van. Pl.: magnézium, nikkel, cink.

A villamosiparban használt fontosabb könnyűfémek, színesfémek:

- Réz

- Alumínium

- Ón

- Cink

- Higany

- Arany

- Ezüst

- Wolfram

Halmazállapot változások fémeknél:

Az atomok rezgő mozgást végeznek, amplitudójuk a hőmérséklet függvénye, Külső hőenergia közlésének hatására egyre gyorsuló mozgásba jönnek. A szomszédos atomhoz ütközve (elpattanak) és újabb ütközés következik be. Ez a mozgás egyre nagyobb amlitudójú lesz (erősebb rezgés), eltávolódnak egymástól a kristályrács tágul. A fémek melegítés hatásra tágulnak.

Az olvadás további melegítés hatására bekövetkezik be, az atomok rezgő mozgása annyira megnövekedhet, hogy a rácsból kiszakadnak .

A hűtés hatására, működésbe lépnek az atomos vonzerők. A folyékony fémben egyszerre több helyen egy-egy rács elem elemi cella (kristálycsíra) alakul ki

Erre a csírára telepednek rá a rácsszerkezetnek megfelelően a lefékeződött atomok.

 

Olvadás=> energia közlés hő formájában => egyre intenzívebb atom mozgás=> kristályrács összeomlás => olvadt fém kialakulás => további hőközlés => anyag elpárolgás

Dermedés=> hőleadás => atommozgás lassul => kristályosodás => dermedés => szilárd kristályos halmazállapot

 

Kristályosodási formák (kristályok fejlődése):

A fémolvadékban (hőelvonás hatására) a kristályok háromféleképpen fejlődhetnek:

- poliéderes,

- dendrides,

- szferolitosan.

 

- poliéderesen- ha a hőelvonás egyenletes, minden irányban egyenletes poliéderekké fejlődnek

- dendritesen- ha a hőelvonás nem egyenletes, akkor hosszú fenyőág alakú krisztallit jön létre

- szferolitosan- a kristálycsírákból kiindulva sugárirányú kristályköteg keletkezik (gömbfelületek határolják)

furcsa.jpg

(A) Poliéderes     (B) Dentrides

A kristályosodási sebességnek jelentős hatása van az öntött fémek kristályos szerkezetének kialakulására. A hűtés jellege a krisztallitok méretét és alakját döntően befolyásolja

. A túlhűlés a hőelvonás következménye, ezért a krisztallitok a hőelvonás irányában fejlődnek erősebben.

Mindez azért fontos, mert ha a folyékony fém lassan hűl, akkor benne kevés elemi kristály alakul ki így kevés kristályosodási központ keletkezik. Tehát kevés helyen indul meg a kristályosodás. Ezért a krisztallitok nagyra nőnek, durva szemcseszerkezet alakul ki. A durva szemcsézetű fémek ridegek, könnyen tőrnek.

detergens_kristaly_1.jpg

 

Dentrides kristályrács

kristaly.jpg

A gyakorlatban a legtöbb fém dendritesen kristályosodik.

SZINFÉM ÉS ÖTVÖZET

A gyakorlatban színfémeket ritkán használunk, csak ha különleges tulajdonságát akarjuk kihasználni Pl.: tiszta réz villamos iparban.

Legtöbbször szilárdsági tulajdonságuk, valamint fizikai, kémiai tulajdonságaik javítása kopásállóság, hőállóság, önthetőség, alakíthatóság stb. miatt a fémeket ötvözik. (A tiszta vas kis szilárdsága miatt nem felel meg tartószerkezetek készítésére szénnel ötvözve szilárdsága többszörösére nő)

Ötvözet: látszatra egynemű, fémtermészetű anyag, melyet két vagy több fém összeolvasztása vagy egymásba való olvadása útján nyerünk.

Célja: a színfémeknél kedvezőbb tulajdonságú fémes anyagok előállítása

Ötvöző anyagok:

- fémek                          Réz, Nikkel ,

- metallitok                    Szén, Szilícium

- nem fémes elemek       Kén Foszfor

Szilárdulási görbe – szövetszerkezet

 

Színfém kristályosodása

szines_fem.jpg

A színfémek olvadáspontjának és dermedéspontjának hőmérséklete azonos

szines_fem_olcv.jpg

Kristályosodás:

        Hőelvonás hatására az elemi kristályokhoz újabb atomok kapcsolódnak, egyre nagyobb kristályok jönnek létre. A kristályok a folyékony fémben, kezdet­ben egymástól függetlenül, rácsszerkezetük által meghatározott alakban, szabá­lyosan fejlődnek (c ábra).

        A kristályosodás előrehaladásával a kristályok egymással érintkezésbe kerülnek, akadályozzák egymás szabályos növekedését. Alakjuk szabálytalan lesz, mert csak abban az irányba fejlődhetnek, amerre a fém még folyékony. A kialakuló szabálytalan alakú kristályokat krisztallitoknak nevezzük (d ábra).

Ötvözetek

Ötvözetek olvadása és dermedése

otvozet_der.jpg

Az ötvözetekben olvadáskor és dermedéskor bonyolultabb folyamatok játszódnak le, mint a színfémeknél. Olvadási hőmérsékleten, többlet energia befektetése mellett az atomok tömegesen hagyják el a kristályt és ez annak összeomlásához vezet. Létrejön a folyékony halmazállapot, az ömledék.

A folyékony ötvözetek megszilárdulása a színfémektől eltérően nem egy hőmérsékleten, hanem két hőmérsékleti érték között következik be.

Ötvözetek keletkezése

Az ötvözet megszilárdulásakor az ötvözött fém és az ötvöző anyag között olyan kapcsolat alakul ki, amely befolyásolja az ötvözet tulajdonságait.

Az ötvözet lehet:

- Szilárd oldatot –egynemű azonos tulajdonságú krisztallitokból áll

- Vegyületet - egynemű kristályos anyag (fém-fém, fém- nem fém)

- Eutektikumot (könnyen olvadó)– két fém apró kristályok elegyévé dermed

 

Szilárd oldatban

Az ötvözőelem atomjai az alapfém rácsszerkezetébe kétféleképpen illeszkedhetnek be:

  • Helyettesítéssel (szubsztituciós) A alapfém elemi cellájának atomjait B ötvözőfém atomjai helyettesítik
  • A két atom mérete max.15%-ban térhet el.
  • A két fémnek, azonos vegyértékűnek kell lenni.
  • Hasonló atomszerkezetűnek kell
  • Valamint az oldat és az oldó anyag rácsszerkezetének azonosnak kell lennie.
  • Beékelődéssel (intersticiós) Az ötvöző B fém atomjai az A alapfém térrácsában található közökben helyezkednek
  • Az oldás korlátozott, mert a hőmérséklet csökkenésével az atomok közötti hely is csökken és az üres helyek száma és mérete a rácsban korlátozott.

A kialakulásának feltétele, hogy az oldott anyag atomja kicsik legyenek.

otv_fem_atom.jpg

                              a) Helyettesítéses             11.ábra                     b) Beékelődéses

Vegyület

Két elem kémiai reakció során molekulákká alakulnak és más tulajdonságú anyagot hoznak létre, melynek szerkezete független az eredeti anyagok szerkezetétől. A fémes vegyületeknek bonyolult rácsszerkezetük van, ezért bennük a csúszások nem jönnek létre. Így képlékenyen nem alakíthatók, ridegek, igen kemény anyagok.

Eutektikumot

Az ötvözetet alkotó két vagy több kristályos fázis egymás mellett helyezkedik el anélkül, hogy oldatot alkotnának, vagy közöttük kémiai kötés keletkezne. Lehűlési görbéjük olyan, mint a színfémeké.


VAS,-RÉZ ,- ALUMÍNIUM ÉS ÖTVÖZETEIK ÁLTALÁNOS JELLEMZŐI

Vas:

Szürkésfehér színű, sűrűsége 7.8 kg/dm^3 (nehézfém) olvadáspontja 1536°C
Szilárdság: Rideg anyag, azonnal törik

Rugalmas és maradandó alakváltozás

Öntöttvas: széntartalma többnyire 3% körüli. Ha a szén lemezes beágyazódású, lemezgrafitos öntöttvasnak nevezik, melynek nincs törési nyúlása.

Gömbgrafitos öntöttvas: nyújtható és van törési nyúlása.

Megmunkálhatóság, alakíthatóság:

Hidegen nem, de a vörös izzás hőmérsékletén jól megmunkálható,kovácsolható

Hővezető képesség: Jó (Táblázat)

Korrózióállóság: Korrodálódik, felületén szivacsos oxidréteg alakul ki.

Elektromos vezetőképesség:

Öntöttvasfajták:

-szürkeöntvények:-nagy széntartalmú, jól önthető

-öntöttvas; rideg, könnyen törik

-kéregöntvények:- felületén hűtés hatására kemény kéreg alakul ki, belseje szívós marad

temper öntvények- öntés után hőkezeléssel gömbgrafitos szerkezet alakul ki

Vas ötvözetei

Acél: Az acélgyártás célja:a felhasználási igényeknek legjobban megfelelő anyagtulajdonságok beállítása (fehér nyersvas széntartalmának csökkentése, az ötvözők beállítása és a szennyezőanyagok eltávolítása).

acelok_felosztasa.jpg

otvozo_acel.jpg

Alumínium:

Általános jellemzés: kékesfehér fém, sűrűsége 2,7 kg/dm3, olvadáspontja 660°C, könnyűfém

Szilárdság: Jó (2.Táblázat)

Megmunkálhatóság, alakíthatóság: Jó- képlékeny Az alumínium lágy és nyújtható, önthető, hegeszthető forrasztható. A tiszta alumínium a kémiai hatásokkal szemben kevéssé ellenálló, de ötvözéssel a hátrányos tulajdonságai kedvezően befolyásolhatók. Hidegalakítással (hengerlés, húzás, sajtolás) a tiszta alumínium keménysége, szilárdsága fokozható.

Hővezető képesség: Jó (1.Táblázat)

Korrózióállóság: korrózióálló fém → passziváló oxidréteg

Elektromos vezetőképesség: Jó (0,028 Ωmm2/m) Vezetőképessége a rézhez viszonyítva rosszabb (a réz 62%-a)

Az alumínium ötvözetei:

Fő ötvözők:

Szilícium, réz, magnézium, horgany, mangán. Lényegesen megváltoztatják az Al szilárdsági- és egyéb tulajdonságait.

Másodrendű ötvözők:

Nikkel, kobalt, króm, vas. Kis mennyiségben vannak az ötvözetekben, szilárdságot csekély mértékben növelik.

Minőségjavító ötvözők:

Titán, cérium, nátrium, berílium, lítium. Önmagukban nem, de fő ötvözőkkel lényegesen javítják az ötvözet tulajdonságait.

Alumínium-szilícium ötvözetek (eutektikumok):

Kitűnően önthetőek, jó a kémiai ellenálló képességük, ütés és rezgés állók.

Alumínium-magnézium ötvözetek:

Jól alakíthatók kémiai ellenálló képességük nagy, a magnézium tartalom növelésével szakítószilárdságuk nő.

Az elektrotechnika különleges anyaga az alumínium, magnézium, szilícium meghatározott összetételű ötvözete, ez a ALDREY. Felhasználás: gyűjtősínek, szabadvezetékek

Alumínium-magnézium (magnálium, hidronálium): nagy szilárdság,

keménység, jól alakítható, hegeszthető, fényesíthető, korrózióálló.

Felhasználás; élelmiszer- és vegyipari berendezések, bútorok,

járművek, forgácsolással készített menetes alkatrészek.

Alumínium-magnézium-szilícium ötvözet: kiváló korrózióállóság, nemesíthetőség. Felhasználás: távvezetékek, járműfelépítmények,

gázpalackok, söröshordók, öntészeti célra pl. motorblokkok, hengerfejek.

 

Réz:

Sűrűsége: ρ = 8,94 kg/dm3, Olvadáspontja: tolv = 1083 Co, Szakítószilárdság: 270 N/mm2,

Villamos vezetőképessége: Nagyon jó - 0,01785 Ωmm2/m

Szilárdság-Rugalmas és maradandó alakváltozás: Jó- képlékeny

Megmunkálhatóság, alakíthatóság: Hidegen jól alakítható, húzható és kovácsolható A réz hidegalakítás (hengerelés, kovácsolás után) kemény és törékeny lesz.

Hővezető képesség: Jó (1.Táblázat)

Korrózióállóság: Korrózióálló.. Levegőn a felülete zöld bevonatot kap (patina). Ez a réz hidroxid szulfát ill. réz hidroxid karbonát megvédi az anyagot a károsodástól

Réz ötvözetek (a legfontosabb ötvözőanyagok : cink, ón, alumínium, nikkel, ólom)

Réz-cink ötvözet (sárgaréz): a cink hatására nő a szakító- és nyomószilárdság, valamint a keménység is. Csökken a nyúlás és hidegalakíthatóság. Felhasználás: csövek, gáz és víz szerelvények

Réz-ón ötvözet (bronz): a sárgarézzel szemben nagyobb a korrózióállósága, a szakító -és kopásszilárdsága, de drágább. Felhasználás: csövek, csapágyak, rugók

Réz- nikkel ötvözetek: az elektrotechnikában ellenállás anyagként használják.

 

A villamosiparban használt fontosabb könnyűfémek, színesfémek jellemzése:

Ón: fehér, csillogó fém, szobahőmérsékleten levegőnek és gyenge savaknak is ellenáll, nem mérgező. Felhasználás: a lágyforrasz ón és ólom ötvözete. Az ón a réz fontos ötvözete.

Cink: kékesfehér fém, forgácsmentes megmunkálásra alkalmas. Felületén a levegő hatására oxidréteg keletkezik (fehérrozsda). Felhasználás: a szárazelem és akkumulátor gyártásban van jelentősége (negatív elektródaként). Fontos ötvözője a réznek.

Higany: Az egyetlen fém, mely szobahőmérsékleten folyékony. Egyaránt rendelkezik a folyadékok tulajdonságaival (pl. az adott tér kitöltésével, és a fémek tulajdonságaival (jó vezetőképesség). A higany MÉRGEZŐ! (A szétszóródott higanyt maradéktalanul össze kell gyűjteni. A higany megköthető cink- vagy rézforgáccsal és így felszívható).

Alkalmazás:Higanygőzlámpákban, higanykapcsolókban

Higanykapcsoló: A bimetállal együtt van szerepük. Felmelegedéskor a bimetáll úgy fordítja el a csövecskét, hogy az elfolyó higany az érintkezőket nyitja vagy zárja.

Ezüst: Az ezüst nemesfém az elektrotechnika számára fontos, mert a fémek közül a legnagyobb a vezetőképessége. Jól megmunkálható, nagy a kémiai ellenálló-képessége.

Alkalmazás: Érintkezők, elektródák, olvadóbiztosítók, precíziós-ellenállások

Arany: Nemesfém, sárga, csillogó hidegen jól alakítható, savak, lúgok alig támadják meg. A királyvíz oldja (3 rész sósav, 1 rész salétromsav)

Alkalmazás: Vékony huzal kivezetések integrált áramkörökhöz

Platina: Fehér, nyújtható, melegen kovácsolható nemesfém. Nagyon

A villamos iparban használt egyéb fémek:

- Volfram

- acélszürke, igen kemény, de még megmunkálható fém. Villamos és hő

vezetőképessége jó

Felhasználás: Az erősáramú ipar nagyteljesítményű érintkező anyagként, olvadóbiztosító segéd olvadószál ill. fűtőellenállásként alkalmazza

 

Fogalom meghatározások(Anyaghoz- szöveghez kapcsolódó):

Szilárdság és maradandó alakváltozás:         

Ha az anyagok alakja maradandó változást szenved, akkor az erőbehatásnak kitett anyagot képlékenynek tekintjük.Ilyen anyagok pl. az ötvözetlen acélok, alumínium vagy rézlemezek Ha az erő hatására maradandó alakváltozás nem következik be, rideg anyaggal van dolgunk, pl. vasöntvények, edzett acélok, egyes magas magnézium tartalmú kompozit anyagok. A rideg anyagok pillanatszerűen törnek, repednek. A harmadik kristályos anyagfajta a rugalmas anyag. A rugalmas anyagok jellemzője, hogy az erőbehatás megszüntetése után visszanyerik eredeti alakjukat, pl. speciális ötvözésű acélok,

Folyáshatár(Re):

Az a feszültség, melyet az anyag maradó alakváltozás nélkül elvisel. Ez a pont nem mindig pontosan meghatározható, ezért helyette némely anyagnál azt a feszültséget tekintik folyáshatárnak, melynél a maradó alakváltozás 0,2%.

  1. Táblázat -Hővezetési táblázat:
    Hővezetés = × távolság / (terület x hőmérsékleti gradiens)

Fémek 20 °C

Hővezetési tényező /tfrac (W) (mK)

Acél (<0,4%C)

45….55

Alumínium

237

Arany

316

Bronz

62

Cink

121

Ezüst

427

Króm

91

Magnézium

156

Mangán

21

Nátrium

133

Nikkel

91

Ólom

35

Ón, fehér

67

Öntöttvas

42...50

Platina

71

Réz

399

Titán

22

Vas

81

Volfrám

173

 

2. Táblázat -Anyagok tipikus szilárdsági értékei

Anyag

Folyáshatár
(MPa)

Legnagyobb feszültség
(MPa)

Sűrűség
(g/cm3)

Szerkezeti acél A36

250

400

7,8

Acél, API 5L X65 (Fikret Mert Veral)

448

531

7,8

Nagyszilárdságú ötvözött acél A514

690

760

7,8

Nagyszilárdságú előfeszített acélhuzal

1650

1860

7,8

Korrózióálló acél AISI 302 – (hidegen hengerelt)

520

860

 

Öntöttvas 4,5% C, ASTM A-48

276 (??)

200

 

Titán ötvözet (6% Al, 4% V)

830

900

4,51

Alumínium Alloy 2014-T6

400

455

2,7

Réz 99,9% Cu

70

220

8,92

Réz-nikkel 10% Ni, 1,6% Fe, 1% Mn, Cu

130

350

8,94

Bronz

kb. 180+

250

 ;

 

 

 

LÉPJEN VELÜNK KAPCSOLATBAN ITT!!!

web:femszerkezet.eu

Tel:06-70-541-4445 vagy 06-70-406-2945

Szólj hozzá

gyártás fém kapu készítés lakatos kapuk fémek előtető kovácsolt vas kovácsolt vasszerkezet lakatos munka fémtermékek kerítések vaszerkezet acélszerkezetek acélok ötvözetek dísztermékek vasszerkezetek gyártása gallériák