2. előadás

Anyagismeret I., 2. előadás (tervezet)Anyagismeret I., 2. előadás (tervezet)Debrecen, 2010. Szeptember 20.

ANYAGISMERET I. (4 kredit)ANYAGISMERET I. (4 kredit)

Prof. Tóth LászlóProf. Tóth Lászlóegyetemi tanáregyetemi tanár

[email protected]


Feliratkozás üteme (326 fő)


Szeptember 20.Szeptember 20.• 1519 MAGELLÁN elindul az első sikeres világ körüli hajóútjára

• 1705 A SZÉCSÉNYI Országgyűlés összehívása

• 1929 Levetítik az első jangos filmet Budapesten (Éneklő bolond)

• 1897 TAMÁSI Áron író, akadémikus születése (Ábel trilógia)

• 1934 SOPHIA Loren olasz színésznő születése

• 1935 ARADSZKSZKY László táncdalénekes születése

• 1946 Először tartják meg a Cannes-i Nemzetközi Filmfesztivált

• 1954 A programozható számítás nyitónapja (FORTRAN))

• 1990 Ratifikálják Németország újraegyesítését

• 1996 ERDŐS Pál matematikus halála

TAKARÍTÁSI VILÁGNAP (1992-től)TAKARÍTÁSI VILÁGNAP (1992-től)


Anyagok felhasználási tulajdonságaiAnyagok felhasználási tulajdonságai

• Gazdaságossági

• Sűrűség

• Ár és rendelkezésre állás• Újrahasznosíthatóság

• Általános fizikai

• Termikus, hőtani sajátosságok

• Hővezetés• Hőtágulás• Fajhő



• Villamos és mágneses

• Oxidációs hajlam• Korróziós hajlam• Kopás

• Ellenállás• Dielektromos állandó• Mágneses permeabilitás

• Környezettel szem-beni ellenállás

• Gyárthatóság, tech- nológiai jellemzők

• Hegeszthetőség• Edzhetőség• Megmunkálhatóság• Köszörülhetőség



• Esztétikai • Szín• Textúra• Tapintás

TULAJDONSÁGOKTULAJDONSÁGOK • Mérhető mennyiségek• Számmal jellemezhetők• Dimenziójuk van


Anyagkiválasztási alapstratégiaAnyagkiválasztási alapstratégia

Alapelv:Alapelv:

• Az adott célra még megfelelő legolcsóbb Az adott célra még megfelelő legolcsóbb

anyagot válasszuk?anyagot válasszuk?

• Igen?Igen?

• Nem?Nem?

• Igen is Igen is ésés nem is!!! nem is!!!


Anyagkiválasztási stratégiákAnyagkiválasztási stratégiák

• Ismerjük meg az üzemeltetési körülményeket és válasszunk ennek figyelembevételével anyagot!

• Tűzzünk ki finomított célokat (pl. erőművek hatásfokának javítása)

• Újítsuk ismereteinket a tapasztalatok, követel-mények figyelembevételével (pl. atomerőműi anyagok elridegedésének tapasztalatai Cu, Ni, P hatása)

• Vegyünk figyelembe minden létező anyagot és meghatározott kritériumok szerint szűkítsük a választékot! (ASHBY)


0

5

10

15

20

25

30

35D

ara

bszám

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48

Évek2005. December 31.2005. December 31.

Tervezve a 80-as években

Tervezve a 70-es években

Tervezve az 50-60-as években

Nukleáris ErőművekNukleáris Erőművek


Anyagok viselkedése függ:Anyagok viselkedése függ:

• Milyen atomok vannak benne

• Milyen kötőerők ébrednek az atomok között

• (Milyenek a környezeti feltételek)

• Hogyan, milyen formában helyezkednek el

egymáshoz képest az atomok


Atomok kölcsönhatásaAtomok kölcsönhatása

• Elsődleges (erős) kötésekElsődleges (erős) kötések– ionos kötés (fémek= erős elektronpozitív és nem fémek = erős

elektronnegatív anyagok között, pl NaCl), Columb-féle kötés – kovalens kötés (legerősebb elsődleges kötés)– fémes kötés

• Másodlagos (gyenge) kötésekMásodlagos (gyenge) kötések– a Van der Waals kötés

RUGÓ modellr0

r


Elsődleges kötésekElsődleges kötések• Jellemző kötéstípus a FÉMEK-nél (fémes és kovalens) és

KERÁMIÁK-nál (ionos és kovalens)• A fém-ionok kitüntetett pontokban (az ún. rácspontokban

helyhez kötöttek)• A vegyérték-elektronok, mint szabad elektronok

elektrongáz, elektronfelhő formájában viszonylag szabadon mozognak

ezzel magyarázható a jó hő- és villamos vezetőképesség

a fémek nagy szilárdsága és egyidejűleg viszonylag jó alakíthatósága


Ionos kötés Ionos kötés (erős elektronegatív és –pozitív elemek között)(erős elektronegatív és –pozitív elemek között)

Na+ ion, Cl- ion,

r

+11 +17

1eV=1.6x10-19 J

17 elektronA külső héjon

-4.02 eV

F vonzerő

Elektronleadás miatt +, KATION+, KATION

Elektronfelvétel miatt

-, ANION-, ANION

11 elektronA külső héjon

+5.14 eV

A külső héjon VEGYÉRTÉK elektron


Ionos kötések jellegzetességeiIonos kötések jellegzetességei

r

Erő

+

-

0

rRa0

R

Fvonzerő

= kation sugara= anion sugara= r + R

a0

Ionok közötti távolság - a

Feredő

Ftaszítóerő

FZ e Z e

a

Z Z e

avonz

o o

( )( ),1 2

21 2

2

24 4

o

0 = tér permittivitása, vagy másképpen a vákuum dielektromos állandója

(értéke 8,85x10-12 C2/Nm2).

Fnb

ataszító n

1,

n, b, = 7 és 9

Z1 és Z2 = leadott felvett elektronok számaE = elektron töltésea= ionok távolsága



r R

Vonzás

a0

Ionok közötti távolság-a

Eredő energia

Taszítás

En

erg

ia

Energiamérleg:

a

eZZFdaU

a 0

221

40


Cl Cl

Cs Na

Atomsugarak:Atomsugarak:

Cl =0,181 nm

Cs =0,169 nm

Na = 0,095 nm




Az ionos kötésű vegyület képlete

A kötési energiaE (kJ/mol)

OlvadáspontT (oC)

CsCl 649 646

KCl 686 776

NaCl 766 801

BaO 3127 1923

CaO 3583 2580

MgO 3932 2800


Kovalens kötések jellegzetességeiKovalens kötések jellegzetességei

• A legerősebb elsődleges kötés, gyémánt, kvarc, germánium, nagy rugalmassági modulus

• Olyan elemek között jön létre, amelyek elektro-negativitása között csekély a különbség

• A kötésben két, vagy több atom vesz részt, oly módon, hogy a legkülső elektronhéjaikon lévő atomokat „megosztják”„megosztják”


Kovalens kötések jellegzetességeiKovalens kötések jellegzetességei

F2

_ _|F:F|_ _

.. ..:F:F:.. ..

F-F

H2

H:HH-H

Cl2

|Cl:Cl|_ __ _

Cl-Cl


Szimmetrikus kovalens kötésSzimmetrikus kovalens kötés

Szimmetrikus töltés megosztás

• szimmetrikus kovalens kötés• Gyémánt: 4-szeres kapcsolódás szélsőségesen nagy keménység szélsőségesen nagy szilárdság

(pl. gyémánt) Nagy kötési energia E=711 kJ/mol, Tolv = 3550 oC

Polimer: az egyik elem a C a kovalens kötésbenPolimer: az egyik elem a C a kovalens kötésben


CH típusú kovalens kötésekCH típusú kovalens kötések

C

H

H

H

H

109.5°

Kötési energia:Kötési energia:• Molekulában=1650 kJ/mol• Molekulák között:8 kJ/mol, Tolv=-1830C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

CH4=Metán,CH4=Metán,

C6H6-típusú telítetlen C6H6-típusú telítetlen benzolbenzol kötések (polimerek alapjai)kötések (polimerek alapjai)

4 vegyérték


A fémes kötés jellemzőiA fémes kötés jellemzői• elsődleges, erős kötés: fémek, fémtermészetű elemek

jellegzetes kötése• a fém-ionok kitüntetett pontokban (az ún. rácspontok-ban

helyhez kötöttek)• a vegyérték-elektronok, mint szabad elektronok elektrongáz,

elektronfelhő formájában viszonylag szabadon mozognak (a külső héjon levő elektronok száma: 1, 2 vagy 3)

ezzel magyarázható a jó hő- és villamos vezető-képesség

a fémek nagy szilárdsága és egyidejűleg viszonylag jó alakíthatósága


A fémes kötés jellemzőiA fémes kötés jellemzői

+ ++ +

+ ++ +

+ ++ +

+ ++ +

Pozitív ionok

Vegyérték-elektronok elektronfelhő formájában


A fémes kötés jellemzőiA fémes kötés jellemzői

RR

Emin

a0

Ene

rgia

+

-

Atomok közötti távolság - a

Az elem vegyjele

Kötési energia E(kJ/mol)

Olvadás-pontT (oC)

K 90 64

Zn 131 419

Ca 177 851

Ge 377 960

Sc 342 1397

Ti 473 1812

V 515 1730

Cr 398 1903

Fe 418 1536


Másodlagos kötések

• A dipólus két azonos nagyságú, de ellentétes töltés különválásával jön létre

• A kötés hajtóereje a molekulákban lévő elektromos dipólusok közötti vonzerő

• Nagyságrendekkel kisebb kötési energia (4-40 kJ/mol)

+Q -Q

d

H-

+ +105

o

O

H

Q d


Fémek, fémes anyagokFémek, fémes anyagok• fémes fény, karakterisztikus szín

• jó hő- és villamos vezetőképesség

• kristályos szerkezet, hosszú távú atomos rendezettség

• nagy szilárdság

• jó alakíthatóság


Az anyagok kristályos szerkezeteAz anyagok kristályos szerkezete

a kristályos szilárd anyagok jellemzőihosszútávú atomos rendezettségszabályos térbeli ismétlődés

kristálytani alapfogalmaka térrács fogalmaa térrács kitüntetett pontjai, a rácspontokaz elemi cella fogalma


Kristályrendszerek jellemzéseKristályrendszerek jellemzése

• Kristályrendszerek leírásának szükséges és elégséges feltételei:

• Három irány (x, y, z) beleértve

az irányok által bezárt

szögeket is!

• A három irányban mért, az

atomok periodicitását jel-

lemző távolságok (a, b, c), a

rácsparaméterekx

y

z

a

b

c


Kristályrendszerek jellemzéseKristályrendszerek jellemzése

x

y

z

b

c

a

x

y

z

Cl -Na +

Hosszú távú rendezettségHosszú távú rendezettség


Kristályrendszerek jellemzése, Kristályrendszerek jellemzése,

BRAVAIS-rácsokBRAVAIS-rácsokRácsparaméterekKristályrendszer

megnevezése Távolságok(a, b, c)

Szögek()

Köbös a = b = c

Tetragonális a = b c

Hexagonális a = b c

Ortorombos a b c

Romboéderes a = b = c

Monoklin a b c

Triklin a b c


KöbösKöbös-rácsok-rácsok

PrimitívPrimitív TérbenTérben középpontosközéppontos

Felületen Felületen középpontosközéppontos


TetraTetragonális-rácsokgonális-rácsok

PrimitívPrimitív TérbenTérben középpontosközéppontos

Felületen Felületen középpontosközéppontos


HexaHexagonális-rácsokgonális-rácsok

PrimitívPrimitív TömöttTömött


OrtorombosOrtorombos-rácsok-rácsok

PrimitívPrimitívTérbenTérben

középpontosközéppontosFelületen Felületen

középpontosközéppontosAlaplapon Alaplapon

középpontosközéppontos


MonoklinMonoklin-rácsok-rácsok

PrimitívPrimitívAlaplapon Alaplapon

középpontosközéppontos


Egyéb primitív-rácsokEgyéb primitív-rácsok

RomboéderesRomboéderes TriklinTriklin


Kristálytani fogalmak, jellemzőkKristálytani fogalmak, jellemzők Rácselemhez tartozó atomok száma: N

Atomsugár és a rácsparaméter kapcsolata: a=a(r)

Térkitöltési tényező: T

Koordinációs szám: K

Irányok, síkok egyértelmű definiálása

Vonalmenti atomsűrűség

Térbeli atomsűrűség

Síkok távolsága

Síkok, irányok által bezárt szög

Beilleszthető gömb helye és mérete


Köbös rács - primitívKöbös rács - primitív

a

Ábrázolási módokÁbrázolási módok

a= 2r

Rácselemhez tartozó atomok száma: (1/8)x8=1


Kristálytani jellemzőkKristálytani jellemzők

térfogata cella elemi az

térfogataatomok tartozó cellához elemi az

c

a

V

VT

Koordinációs szám: 6

683

4

3

3

N

r

rN

T

T=0,52=52%


KöbösKöbös rács - térközepes rács - térközepes


a= 4r/3

Rácselemhez tartozó atomok száma: (1/8)x8+1=2

a


Köbös rács - lapközepesKöbös rács - lapközepes


a= 4r/2

Rácselemhez tartozó atomok száma: (1/8)x8+6(1/2)=4

a

a


ÖsszefoglalásÖsszefoglalásKristályrendszer megnevezése

Paraméterek Primitív Térközepes Lapközepes

N 1 2 4

T 0,52 0,68 0,74

K 6 8 12

a = a(r) a= 2r a= 4r/3 a= 4r/2

Elemek P -Fe, Cr, W -Fe, Al, Au


Hexagonális rácsHexagonális rács

• Primitív hexagonálisPrimitív hexagonális kristály (Cd, Be)

– a kristálytani leírásból származó redundancia

következménye: a primitív hexagonális (eltérően a

köbös rendszertől) a lapközépen is tartalmaz atomot

• Tömött hexagonálisTömött hexagonális kristály (Zn, Mg)

– egyik legfontosabb jellemzője, hogy ugyanolyan

kristálytani síkokból épül fel, mint a lapközepes köbös,

de más elrendezésben


Primitív Primitív Hexagonális rács – Ortorombos rács Hexagonális rács – Ortorombos rács

aa a2

c

z

a1

a3

120o

aa

a2

c

z

a1

a3

120o


Tömött Tömött Hexagonális rácsHexagonális rács

aaa

c


Kristálytani Kristálytani síkoksíkok és és irányokirányok

• Kristálytani számításokhoz a síkoksíkok és irányokirányok jelölése

• SíkokSíkok jelölésére szolgálnak a Miller-indexek

• Az irányokirányok jelölésére a kristálytani irányvektorokat

alkalmazzuk

• Az eltérő kristályszimmetria miatt a köbös és a

hexagonális rendszer külön tárgyalása indokolt


Miller indexekMiller indexekz

x

y

n

a

b

c( ) 0or r n

1c

z

b

y

a

x

Vektoros alakVektoros alak

Tengelymetszetes alakTengelymetszetes alak


Miller indexekMiller indexek

• A sík önmagával párhuzamos eltolása olymódon, hogy

a sík ne menjen át a KR-kezdőpontján

• Az a, b, c tengelymetszetek meghatározása

• A reciprok értékek előállítása (h=1/a, k=1/b, l=1/c),

jelölésjelölés: (h,k,l)

• A sík Miller-indexének kifejezése matematikai

átalakítással a legkisebb egész számokkal


SíkcsaládSíkcsalád• A kristálytanilag egyenértékűegyenértékű síkokat síkcsaládnak

nevezzük

• A síkcsalád tagjait azonos számokazonos számok (pl. 1,0,1 )

permutációival képezett Miller-indexek írják le

• Jelölése:{ h k l }

• { 1,0,1 } = (1,0,1); (1,1,0); (0,1,1);(-1,0,1);(1,0,-1);…


Jellegzetes síkokJellegzetes síkok

x

z

(100)

y

x

z

(110)

y

x

y

z

(111)

Metszés: a, ∞, ∞

Miller indexek a/a, a/∞, a/∞

Metszés: a, a, a

Miller indexek a/a, a/a, a/a

Metszés: -a, a, ∞

Miller indexek -a/a, a/a, a/ ∞


Jellegzetes síkokJellegzetes síkok

x

z

(200)

y

x

z

(220)

y

Metszés: a/2, ∞, ∞

Miller indexek 2a/a, a/∞, a/∞

Metszés: a/2, a/2, a/2

Miller indexek 2a/a, 2a/a, 2a/a

Metszés: a/2, -a/2, ∞

Miller indexek 2a/a, -2a/a, a/ ∞

x

y

z

(222)


Hexagonális rács leírásaHexagonális rács leírása• Az irányok jelölésére is a hexagonális rend-

szerben négy koordinátás leírást alkalmazzunk ( u

v t w ) ( Miller-Bravais indexek)

• Meghatározásuk a köbösnél ismertetett lépések

szerint történik, ügyelve a KR sajátosságaira (nem

derékszögú KR!)

• A négy koordinátás leírás miatt az indexeknek

redundanciája van, azaz u + v = - t


Hexagonális rács leírásaHexagonális rács leírása

a1

-a1a3

-a3

z

[1210]

[2110]

[1120]

a2- a2

-a2

a1

-a1

a2

a3

-a3

z

[1210][2110]

[1120]

[1010]

[1212]

u,v,t,wu + v = - t


Vonalmenti atomsűrűségVonalmenti atomsűrűség

x

y

z

l

N vonalvonal

mm

atom

nm

atomN 6

]111[

]111[]111[ 10037,4037,4

495,0

2

a = 0,286 nm


Síkbeli atomsűrűségSíkbeli atomsűrűség

A

N síksík

z

x

a

a 2

x

a 2

a

(110)

213

2)110(

)110()110( 1073,13,17

116,0

2

mm

atom

nm

atom

A

N

a = 0,286 nm


Térbeli atomsűrűségTérbeli atomsűrűség

FeFe

N

V

193 3

285,5 8,55 10

0,0234Fe

Fe

N atom atom

V nm mm

a = 0,286 nm


Kristálytani számításokKristálytani számítások

222 lkh

adhkl

a 22

a 22

(-1,1,0)

2

2

2101

aad


Kristálytani számításokKristálytani számítások

222 lkh

adhkl

a 33

(1,1,1)

3

3

3111

aad


Áttekintett területekÁttekintett területek

• Kristályszerkezetek– vonalmenti-, – síkbeli-, – térbeli atomsűrűség

• Atomi kötések– Elsődleges

• Ionos,

• Kovalens,

• Fémes

– Másodlagos

SŰRŰSÉG

RUGALMASSÁG


PlatinaWolframAranyÓlomEzüstRéz

NikkelVas, Acél

CinkTitán

AlumíniumBerillium PTFE

PVCEpoxiesPMMANylon

PolesterinPoliethilen

Gumik

Polymerhabok

Cermets

GFRP'sCFRP's

Normálfák

KerámiákKerámiák FémekFémek PolimerekPolimerek KompozitokKompozitok

3x104

104

5x103

3x103

50

102

103

WCTiCZrC

Al2O3, MgOSi3N4, SiC

Alkáli halidokKőzetek többsége

ÜvegekCement/

BetonJég

5x102

3x102

30


SűrűségSűrűség (Osmium =22.7, Műanyag habok = (Osmium =22.7, Műanyag habok = 0.01))

• 21,4 - Platina• 19,3 - Arany• 19,6 - Wolfram• 16,7 - Tantál és ötvözetei• 11,34 - Pb• 8,9 - Ni• 8,5 - Co ötvözetek• 7,85 - Acél • 7,5 - Rozsdamentes acél• 4,7 - Ti ötvözetek• 7,9 - Ni ötvözetek• 2,7 - Al és ötvözetei• 1,8 - Mg

• 2,5 - Kőzetek• 2,5 - Üveg • 2,2 - Szénszál• 2,0 - Bórszál• 2,0 - Cement/beton• 1,5 - Műanyagok (PE, PVC)• 1,3 - Poliészter• 1,2 - PMMA• 0,92 - Jég• 0,85 - Gumi • 0,6 - Fák• 0,1 - Parafa

2. előadás

Documents