Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p. Viktigt. Repetition av föreläsning 1. Repetition av föreläsning 1. Repetition av föreläsning 1

Transkript

1 Konstuktionsmateial, 41068, 4p Viktigt Anmälan till labkus och val av labgupp skall göas omgående. Skiv upp dig på lista på kusanslagstavlan i enten på BR23. Adjunkt Andes Eliasson KT/ITM/Metallenas gjutning Atomstuktuen (ace enteed ubic) öeläsning 2: Atombindninga och kistallgitte östå mateial Välja mateial Utveckla mateial Köp kuslitteatu idag, av Bokimpeiet AB: Pis: 450 k. Endast kontante, ej kotbetalning vid detta tillfälle. (Teknologexp. MSE sälje även boken, endast kotbetalning, ej kontante.) Köp labpek. Laboationsanvisninga säljs på Teknologexp. MSE. Pis: 50:. Obs, endast kotbetalning, ej kontante. De viktigaste mateialtypena: Metalliska mateial t.ex. jän, koppa, aluminium. Oftast legeade dvs blandninga av två elle flea gundämnen. Keamiska mateial t.ex. glas, poslin, cement. Ofta en blandning av olika oxide men kan även bestå av nitide, kabide etc. Polymea mateial t.ex. plaste, tä. Uppbyggda av långa oganiska kolkedjo elle nätvek. Komposite t.ex. hådmetall, amead betong. Ofta en håd komponent i ett mjukae bindemedel. Typiska egenskape fö metalle: Goda ledae fö väme och elekticitet. Detta beo på att de innehålle fia elektone som lätt kan öa sig. Duktila och lätta att foma på olika sätt och i flea steg t.ex. gjutning, mekanisk beabetning, svavning, svetsning. Kan göas håda och hållfasta efte fomningen. Ge oftast ett segt bott om de gå sönde. Oftast polykistallina vilket ge dem samma egenskape i alla iktninga (isotopa). Typiska egenskape fö keame: Dåliga ledae fö väme och elekticitet, elektonena ä håt bundna till atomena. Kan fomas på olika sätt men oftast i ett steg och inte genom beabetning. Ofta håda men gå sönde tvät, dvs spött bott. Ofta hållfasta till höga tempeatue. Kan vaa polykistallina elle amofa (glas). Typiska egenskape fö polymee: Dåliga ledae fö väme och elekticitet. Lätta att foma i flea steg. Kan vaa mjuka (nylon), elastiska (gummi) elle håda (bakelit). Ofta både polykistallin och amof stuktu. Dåliga högtempeatuegenskape Egenskape som föändas (elativt) snabbt med tiden. 1

2 Kistallina mateial: Atomena ä placeade i egelbundna, epeteande 3dim. s.k. atomgitte. Inom ett kistallkon ä egenskapena olika fö olika kistalliktninga. gitte och mikostuktu fö polykistallin koppa Bilden visa ett ytcentead kubiskt gitte som kallas (ace enteed ubic). Den ha en atom i vaje kubhön och en atom mitt på vaje kubyta. Koppa ha gitte med en atom i vaje kubhön och en på vaje sidoyta På en polead och etsad yta av koppa syns kistallkonen genom att kon med olika kistalliktninga eflektea ljuset olika. Egenskape beo på mikostuktuen. Ett exempel ä t.ex. hådheten elativt stuktuen fö ett kolstål. ådhet (BN) (a) 30μm (b) 30μm (c) 4μm (d) 30μm Kylningshastighet (K/s) Olika kylningshastighete påveka stuktuen ådhet av stål beo på mikostuktuen Mjukglödgat stål, den ljusa gundmassan ä nästan ent jän, s.k. eit (mjuk), och patiklana ä en jänkabid som kallas cementit (håd). ädat stål, som kylts snabbt och dä man fått en mikostuktu med feit och cementit i sammanvävda tunna lamelle. Viktiga fågo Atomstuktue Vafö binds atome samman i olika mikostuktue? Vilka olika type av atombindninga finns det? Vilka egenskape beo av atombindningana? elektonskal: n = huvudkvanttal Boh s atom modell n=3 2 1 Käna: Z = # potone = 1 fö väte till 94 fö plutonium N = # neutone Atomens massa A Z + N 2

3 Elektonenas olika eneginivåe Elektone ha disketa eneginivåe. föeda att befinna sig på så låg eneginivå som möjligt. antalet elektone på vaje nivå ä begänsat bikvantal kallas, s, p, d etc. Inceasing enegy n=4 n=3 n=2 n=1 4s 3s 2s 1s 4p 3p 2p 3d Stabila elektonkonfigatione a kompletta s och p skal Delta inte i bindninga med anda atome Z Element onfiguation 2 e 1s 2 10 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 18 A 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 36 K 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 Dessa element kallas ädelgase (ineta gase) De flesta gundämnen ha en ofullständig elekton konfiguation, dvs ej fyllda elektonskal. Element ydogen elium Lithium Beyllium Boon abon Neon Sodium Magnesium Aluminum Agon Kypton Övesikt av gundämnen Atomic # Electon configuation 1s 1 1s 2 (stable) 1s 2 2s 1 1s 2 2s 2 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 2 2p 6 (stable) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 (stable) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s (stable) Elektonena i det ofullständiga ytte elektonskalet kallas valenselektone avge 1e avge 2e avge 3e Li Be Na Mg K a Sc Rb S Y s Ba Ra Övesikt av gundämnen Ämnen i samma kolumn ha liknande kemiska egenskape Elektopositiva element som ha en tendens att avge elektone Metal Nonmetal Intemediate ta upp 2e O ta upp 1e ädelgas e Ne S l A Se B K Te I Xe Po At Rn Elektonegativa element som ha en tendens att ta upp elektone Jonbindning öekomme mellan jone med (+) och () laddning Käve att det ske en öveföing av elektone Sto skillnad i elektonegativitet nödvändig Exampel: Nal Na (metall) instabil elekton + Na (katjon) stabil Elektostatisk kaft l (ickemetall) instabil l (anjon) stabil Vanligaste bindningstypen fö keame Nal MgO a2 Li Be 1.5 sl Exempel på jonbindninga Na Mg K a Ti e Ni Zn As Rb S s Ba Ra O l 3.0 B 2.8 I At 2.2 e Ne A K Xe Rn 3

4 Kovalent bindning Käveattelektone delas Exampel: 4 : ha 4 valens el, 4 behöve 4 till : ha 1 valens el, behöve 1 till Electonegativiteten ä jämföba. delade elektone fån kolatomen delade elektone fån väteatomen 2.1 Li 1.0 Na 0.9 K 0.8 Rb 0.8 s Be 1.5 Mg 1.2 a 1.0 S 1.0 Ba 0.9 Ra 0.9 Exempel på kovalenta bindninga 2 Ti (diamond) Si e 2O Ni Molekyle med ickemetalle Molekyle med metall och ickemetall asta gundämnen (kolumn IVA i peiodiska tabellen) asta lösninga (näa kolumn IVA) Zn Ga 1.6 column IVA Si Ge Sn Pb As 2.0 GaAs O l 3.0 B 2.8 I At 2.2 e Ne A K Xe Rn 2 l2 Metallbindning Osakas av att alla valenselektone bilda ett hav av elektone (1, 2, elle 3 fån vaje atom) och binde de joniseade atomena Den vanligaste bindningstypen fö metalle och metallegeinga ex: polyme Sekundäa bindningstype Uppstå genom inteaktion mellan dipole (laddningsfält) luktueande dipole Asymmetiskt elektonmoln ex: flytande sekundä sekundä bindning bindning Pemanentadipolmolekyle sekundä nomalfallet: + bindning + sekundä ex: flytande l l bindning l seconday bonding van de Waals bindninga Typ Jon Kovalent Metallisk Dipol Summeing av bindningstype Bindningsenegi Kommenta Stak! Ej iktningsbeoende (keame) Vaiabel Riktade bindninga sto i diamant halvledae, keame liten i vismut polymekedjo Vaiabel sto i volfam liten i kvicksilve Svag Ej iktningsbeoende (metalle) Riktade bindninga tväbindninga (i polyme) mellan molekyle Egenskape som beo av bindningen Atomavståndet, Bindningsenegin, Eo Enegi atomavstånd o Eo= bindningsenegi Smälttempeatuen, Tm Enegy () o smalle Tm lage Tm Tm öka om Eo öka. 4

5 Egenskape som beo av bindningen Elasticitetsmodulen, E odefomead ΔL defomead ΔL = E A o Lo Elasticitetsmodulen E ä poptionell mot kökningen av potentialkuvan vid o Enegi längd, Lo tväsnitts aea Ao Egenskape som beo av bindningen Temisk expansivitet, α längd, Lo Temisk expansivitet kall T 1 ΔL ΔL = α (T 2 T 1 ) vam T 2 Lo α popotionell mot symmetin vid o Enegi obelastat atomavstånd o E öka om Eo öka. Liten Elasticitetsmodul sto elasticitetsmodul o stöe α minde α α öka om Eo minska. Bindningsbeoende egenskape Keame (Jon & kovalent bindning): Metalle (Metallisk binding): Polymee (Kovalent i kedjan & dipol mellan kedjona): Sekundä bindning Sto bindningsenegi hög Tm sto E liten α Vaiabel bindningsenegi vaieande Tm vaieande E vaieande α Riktningsbeoende egenskape Dipolbindningen dominea låg T m låg E sto α Mikostuktu Viktiga fågeställninga u kan atome bilda fasta mateial? u skilje sig keamiska mateial fån metalliska? u beo densiteten av ett mateial på dess kistallstuktu (gitte)? Nä kan ett mateial ha iktningsbeoende egenskape (anisotopi)? Atomanodninga i mateial Glas ä ett amoft mateial Kistallina mateial atomena ligge i peiodiska, 3D gitte. typiskt fö: metalle många keame någa polymee Ickekistallina (amofa) mateial atomena ligge slumpmässigt typiskt fö: komplexa molekyle snabb stelning "Amof" = ickekistallin Kistallint SiO2 Si Oxygen Amoft SiO2 Byggsten fö glas: 4 Si04 tetahede Si 4+ O 2 Kvats ä en kistallin fom av SiO2: Glasäamoft Det amofa tillståndet undelättas genom att tillsätta små mängde Na +,Mg 2+,a 2+, Al 3+ Dessa föoeninga : föhinda bildandet av kistalle vid stelnandet. Na + Si 4+ O 2 (soda glas) 5

6 Metalle och keame a oftast egelbundet odnade gitte fö atomena. Anledningen till detta ä att: Ett gundämne oftast ä domineande, så alla bindningsavstånd mellan atomena ha samma längd. Metallisk bindning ä inte iktningsbeoende. Avståndet mellan nämaste ganna kan i medeltal bli minde så att bindningsenegin minska. a oftast enkla kistallgitte. Ytcenteat kubiskt gitte () Ett av de vanligaste gitten fö metalle och keame De tätpackade planen syns om en hönatom tas bot De tätpackade iktninga ä sidoytonas diagonale OBS: Alla atome antas vaa identiska; atomena på sidoytona ha skuggats fö att undelätta föståelsen. Koodination # = 12 Vi skall se nämae på 3 sådana gitte, B och P lick on image to animate (outesy P.M. Andeson) Stapling av tätpackade plan i ABAB stapling av tätpackade plan 2D Pojektion A plan B plan plan A B B A B B B B B De tätpackade planen i enhetscell A B Rymdcenteat kubiskt gitte (B) Också ett vanligt gitte De tätpackade iktninga ä kubens ymddiagonal. OBS: Alla atome ä identiska; atomen i centum ha skuggats fö att undelätta föståelsen. Koodination # = 8 exagonalt tätpackat gitte (P) ABAB stapling av tätpackade plan 3D Pojection 2D Pojection A plan Toppplan Adapted fom ig. 3.3, alliste 6e. B plan A plan Koodination # = 12 Mitten plan Botten plan lick on image to animate 6

7 Teoetisk densitet, ρ Densitete fö olika type av mateial # atome/enhetscell Atommassa (g/mol) Volum/enhetscell (cm 3 /enhetscell) ρ= n A V c N A Exampel: Koppa Avogado's numme (6.023 x atoms/mol) kistallgitte = : 4 atoms/enhetscell atommassa = g/mol (1 amu = 1 g/mol) atomadie R = nm (1 nm = 10 7 cm) Vc = a 3 ; fö, a = 4R/ 2 ; Vc = 4.75 x cm 3 Resultat: teoetisk: ρ u = 8.89 g/cm 3 Skilladena beo på: Metalle ha tätpackning (metallisk bindning) sto atommassa Keame ha minde tät packning (kovalent bindning) ofta lättae ämnen Polymee ha låg packningstäthet (ofta amofa) lätta ämnen (,,O) Komposite ha mellanliggande väden ρ g/cm Metalle Keame Polymee Platinum Guld, Wolfam Tantal Silve, Mo u,ni Stål Tenn, Zink Titan Aluminum Magnesium Gafit Komposite *GRE, RE, & ARE ä Glas abon, & Aamid ibeameade Epoxy komposite (väden baseade på 60% volymfaktion av fibee i en epoxy matix). Ziconia Al oxid Diamant Si nitid Glasssoda Betong Silicon PTE Silicone PV PET P DPE, PS PP, LDPE Glasfibe GRE* Kolfibe RE* Aamid fibe ARE* Tä Jämfö med veklig: ρ u = 8.94 g/cm 3 Bindninga i keame Jonbindning och kistallgitte Bindningstype: uvudsakligen jonisk, ibland kovalent. faktionen jonbindning öka med skillnaden i elektonegativitet. 2.1 Li Be Na Mg K a Rb S s Ba Tabell öve elektonegativitete a2: sto Si: liten Ti e Ni Zn Si As l 3.0 B 2.8 I At 2.2 e Ne A K Xe Rn Laddningsneutalitet Nettoladdningen i gittet måste vaa noll. Allmän fomel: AmXp a2: a 2+ + katjon anjone m, p bestäms av laddningsneutaliteten 0.7 Ra 0.9 Sto esp. liten jonbindning: Koodinationstalet öka med laddningen. åga: u många anjone kan man aangea unt en katjon? katjon anjon ood # < Koodinationstal och jonadie katjon anjon ZnS (zinkblände) Nal (natiumkloid) sl (cesiumkloid) Gundämnen med flea olika atomkonfiguatione lea gundämnen och de flesta legeinga kan omvandlas i fast fas mellan olika gitte. T.ex. ent jän kan vaa B och. Detta kallas "polymophism. Tempeatu, o Liquid 1538 B Stabil 1391 väm upp Stabil 911 B Stabil Tc 770 kyl ned länge kotae! länge! magnet falle av kotae Längden av en jäntåd öka med tempeatuen pga vämeutvidgning Längden av en jäntåd ändas vid omvandlingen /B eftsom gitten ha olika densitete. 7

8 Gundämnen med flea olika atomkonfiguatione öänding i densitet av ent jän (feit) vid omvandling fån smälta till fast fas och i fast fas mellan olika atomkonfiguatione. Kistallkon som byggstena Någa få tekniska tillämpninga käve att mateialet ä en enda kistall (enkistall): Enkistalle av diamant, fö slipning Tubin blad Densitet fö ent e fån smälta till umstempeatu Eftesom kistallens egenskape vaiea i olika iktninga komme en enkistalls egenskape också att vaa olika i olika iktninga. I tubinbladet oienteas kistallens iktinga vid stelnandet så att det bli stakast i längsiktningen. Dagpovkuvo fö tubinblad fomat med iktat stelnande Skillnade mellan en och polykistallina mateial Enkistalle Egenskapevaieai oilika iktninga: anisotopi. Exampel: elasticitetsmodulen (E) fö B jän: E (diagonal) = 273 GPa Tubinblad utsätts fö stoa kafte i längsiktningen vid otationen. Man fösöke oientea kistalliktningana så att den stösta stäckgänsen bli i den iktningen vid stelnandet. Antingen genom att bladet växe som enkistall elle s.k. iktat stelnande då kistallkonen växe paallellt. Polykistallina mateial Egenskapena i vaje kon vaie med iktningen. Nä konen ä slumpmässigt oienteade ä mateialet isotopiskt (E poly ion = 210 GPa) Omkonenhatextu, t.ex. efte valsning, bli mateialet me anisotopiskt. E (edge) = 125 GPa 200 μm De flesta mateial ä polykistallina Polykistallina mateial De flesta konstuktionsmateial ä polykistallina. 1 mm Mikostuktuen ovan ä fö koppa dä de konen få olika fäg eftesom kistalliktningana ä olika. iguen visa en NbfW plåt med en svetsfog. Vaje enfägat omåde ä ett kistallkon (en enkistall). Nä kistallkonen ä slumpmässigt oienteade, bli mateialets egenskape obeoende av iktningana, d.v.s mateialet få isotopa egenskape. 8

9 Något om stoleksodninga igen Konstoleka vaiea mellan 10 8 till 0.1 m i diamete. En nomal konstolek ä ca 10 5 m, dvs 0.01 mm Patikla kan vaa mellan 10 8 till 10 4 m i diamete. Kistallkonen bildas edan vid stelnandet Kongänse syns som en linje i mikobildena men ä givetvis yto i mikostuktuen. Kongänse ä 23 atomplan dvs 10 9 m beda. Mikostuktuen ovan visa stelningsstuktuen fö en bonslegeing, dvs koppa med 2 % tenn. Genom etsningen syns sammansättnings vaiatione som uppstått vid stelnandet. I vänsta bilden syns egelbundna mönste i olika omåden. Vaje sådant omåde ä ett kon och mönsten osakas av de dendite som bildat kistallen. Denditens tilllväxtiktninga beo på kistallgittet. öga bilden ä en delföstoing. am till det fanns öntgenutustning todde man att metalle va amofa, dvs inte kistallina, eftesom de va så lätta att foma. Kistallina mateial som keame va svåa att foma. Mätmetode fö kistallgitte 1 öntgenvågo 2 ifallande θ Exta stäcka fö våg 2 Röntgen intensitet (fån detekto) θ c θ utgåendevågo detekto 1 λ 2 d=nλ/2sinθ c Reflektione måste vaa I fas fö att detektea en signal avstånd d mellan atomplan θ Sammanfattning Atome kan aangea sig i kistallina gitte elle amofa stuktue. Man kan beäkna densiteten av ett mateial, nä man vet atommassan, atomadien, och kistallgittet (e.g.,, B, P). Enkistalles egenskape ä olika i olika kistalliktninga (dvs de ä anisotopa). Mateial ä oftast polykistallina med slumpmässigt oienteade kon och däfö bli mateialets egenskape ä vanligen obeoende av iktningen (dvs de ä isotopa). Läsanvisninga, kapitel 13 Kapitel 1 Sido19 Kapitel 2 Sido 1019,2029 Typtal 2.16, 2.18, 2.19, 2.20 Kapitel 3 Sido 3239, 4856, 6985 Typtal 3.1, 3.12, 3,13, 3.82,