1. Struktur egenskap samband

Transkript

1 KOLT Föreläsning 2 Tillbakablick, första lektionen. Struktur/samband Olika materialgrupper Typiska egenskaper Atomstruktur Atomarrangemang-enhetscell Amorfa och kristallina ämnen Atombindningar, jon, kovalent, Van der Waals, metallisk Bindningar: Exempel på egenskaper Korn och korngränser Kristallkorn Vanliga kristalltyper: BCC, FCC, HCP Allotroper fasomvandlingar Isotrop och anisotrop Dragprovkurvan, E-modul, sträckgräns, plastisk deformation, duktilitet, deformationshärdning. Struktur och strukturoberoende egenskaper, E-modul, Smälttemperatur, Termisk utvidgningskoefficient. Introduktion till potentialkurvan Fas: Aggregationstillstånd. G, L, S Instuderingsfrågor. 1. Struktur egenskap samband Framgång av teknisk/ekonomisk lösning beror av materialval som matchar de specifika kraven för tillämpningen. Primitiva kulturer var begränsade till naturligt förekommande material. Stenålder, bronsålder, järnålder. Civilisationens framfart - större förståelse hur materialegenskaper beror av strukturen. 2. Exempel på material i en kapsåg 3. Indelning av material i olika huvudgrupper Metall Keram Polymer Komposit 1 Metalliska material 2 Keramer (glas och glas keramer) 3 Polymerer 4 Kompositer Andra sätt att klassificera material, tex. funktionell klassificering, strukturell klassificering. 4. Vilka är deras typiska egenskaper? Och varför? Metaller är duktila, starka, bra el- och värmeledare, metallisk lyster. 5. Alla material är uppbygda av atomer som består av P,N,e - Tenn (Sn) Keramer är spröda, starka, hårda, dåliga ledare av el- (insulator), hög smälttemperatur, generellt bra korrosionsmotstånd. Polymerer De mekaniska egenskaperna varierar mellan vida gränser. Generellt är de dåliga ledare av värme och el- och har låga smelt-temperaturer. Kompositer materialkombinationer med unika egenskaper. Glasfiberarmerad plast, hårdmetall.

2 6. Atomer, bindningar, kristaller Alla material är sammansatta av samma elementära partiklar: protoner, neutroner och elektroner som utgör byggstenarna till atomerna. Variationen av egenskaper beror av olika kombinationer av sammansättningen av atomerna. Bindningar mellan atomer. atombindningar. Aggregat av atomer molekyler, kristaller och amorfa aggregat. Atomstrukturen tillsammans med imperfektioner (dislokationer) har stor effekt på mekaniska egenskaper. 7. Atomstruktur, bindningar och strukturer är viktiga för att förstå material-egenskaper! Strukturen är nycklen till materialets egenskaper. Antal P,N och e - påverkar atomens egenskaper. Sammanslagning av atomer med olika typer av bindningar ger strukturer som: molekyler kristaller amorfa aggregat. 8. Egenskaper beror av alla nivåer av strukturen, mikro -makro 9. Atombindningar PRIMÄRBINDNINGAR Jonbindningar - Salter, Keramer Kovalenta bindningar - Polymerer Metalliska bindningar -Metaller SEKUNDÄRBINDNING Van der Waal - (svaga bindningar) -vatten 11. Kovalent bindning För att ge ett komplett elektronskal delas elektronerna mellan närliggande atomer. Tex. C med 4 valens-elektroner kan en atom dela dess valenselektron med var och en av 4 grannar. Resultatet blir ett 3D nätverk.

3 13. Metallisk bindning Atomers yttre elektroner är rörliga och formar ett elektronmoln. +joner kan röra sig fritt inom strukturen utan att bryta bindningarna Metaller kan deformeras genom glidning utan att förlora hållfasthet. Utgör basen för duktilitet och många formningsprocesser. 14. Van der Waals bindning -växelverkan mellan ämnen som har elektriska dipoler tex. vattenmolekyler. Svag bindning. 15. Exempel: Egenskaper- bindningar Diamant har bara kovalenta bindningar, är mycket hårt Grafit har dels kovalenta bindningar, dels van der Waals bindningar (mellan skikten). Spjälkning och glidning sker lätt mellan de svagt bundna skikten. Används som torr-smörjmedel. Fullerone C 60 Elektrisk insulator men kan dopas till ledare eller halvledare Nanotube Det starkast kända materialet GPa. ca 10x starkare än kolfiber! E-modul 1000Pa = TPa Brotttöjning ca 5%- 20% Kan vara metallisk ledare eller semiconductor. 17. Olika nivåer av atomiska arrangemang Oornad gas En kristall har ett ordnat gitter rymdmönster (lattice) Amorft silicate glass har ett inbördes sammanhang

4 18. Atom arrangemang i kristallina material (S) Atoms pack in regularly repeating 3D arrays (lattice) Crystalline grains Assembly of grains Make up solid Single crystal Nucleus + Polycrystalline 19. Korn och korngränser Kristallina material består av en eller flera kristaller. Varje kristall har ett atomer som är arrangerade i ett regelbundet system. En enkristall är ett kristallint material som är uppgjort av bara en kristall (det har inga korngränser) Polykristallint material består av flera sammansatta kristaller. Korngränser är regioner mellan korn av ett polykristallint material. 20. Kristaller, korn och korngränser 21. Korn och korngränser 22. Kristallgitter, enhetsceller och kristallsystem Den kristallina uppbyggnaden av kristallsystem. De vanligaste kristallsystemen (gitter) för metaller är: FCC, ytcentrerat kubiskt gitter (Face Centered Cubic) HCP, hexagonalt gitter (ej kubiskt) Hexagonal Close Packed. BCC, rymdcentrerat kubiskt gitter (Body Centered Cubic). Varje gitter kan betraktas som ett antal likformiga enhetsceller staplade ovanpå och brevid varandra. 23. FCC Enhets-cell (unit cell Gitter (lattice)

5 24. FCC. Staplingssekvens ABCABC 25. FCC staplingssekvens ABCABC FCC har 4 tätpackade plan (jämför med en tetrahedron- tetrapack) 26. HCP är inte kubiskt. Staplingssekvens ABABAB. Har bara två tätpackade glidplan. 27. HCP är lika tätpackad som FCC men är inte så duktil därför att den har färre tät-packade glidplan än FCC. 28. BCC har inga tätpackade plan

6 30. Isotropa och anisotropa egenskaper Vad är en enkristall? Konventionellt gjutet (CC) Riktat stelnande (DS) Enkristall (SC/SX) 31. Allotroper och allotropa fasomvandlingar Fe BCC(α) omvandlas vid 911ºC till Fe FCC (ϒ) Vid 1394ºC till Fe-BCC(δ) (011) Z (001) (111) X Dessa allotropa omvandlingar gör det möjligt för värmebehandlingsprocesser som kan ge stora skillnader i egenskaper. Y Korngränser i alla riktningar Många legeringsämnen Korngränser parallellt belastningsriktningen Många legeringsämnen Inga korngränser Färre legeringsämnen Högre smält- och upplösningstemperatur Mer härdning 33. Exempel: allotrop omvandling av Sn Tenn (Sn) Två olika kristallformer α-tenn stabilt under 13,2ºC och β-tenn till T 0 =231,9ºC Tennpest Sb, Bi,Ag 34. Dragprov kurva Vad händer då vi applicerar kraft på ett dragprov och plottar den mot förlängningen? (Spänning vs töjning). Följande kan erhållas: E-modul, sträckning av bindningar. Sträckgräns. Plastisk deformation. Duktilitet. Deformationshärdning. 35. Viktiga begrepp Elastisk deformation- deformation som försvinner när lasten försvinner Plastisk deformation- bestående deformation Sträckgräns- hur stor last innan plastisk deformation Duktilitet - hur stor plastisk deformation innan brott (seghet) Hårdhet- mäts med hårdhetstest, ofta proportionell mot sträckgräns. Deformationshårdnande. Hur förklarar man dessa egenskaper?

7 36. Strukturkänsliga och strukturokänsliga egenskaper Mikrostruktur Strukturkänsliga egenskaper Tex. Sträckgräns Duktilitet Utmattningshållfasthet. Strukturokänsliga egenskaper -relation till bindningsenergi -potentialkurva Smältpunkt E-modul Termisk utvidgningskoefficient 37. Bindnings-energi mellan atomer, Potentialkurvan. Atomer utsätts för både repulsions och attraktionskrafter. Vid ett visst avstånd (viloläge) balanseras attraktion med repulsion. Bindenergi är minst i viloläget. 38. Olika typer av bindningar 39. E-modul U Bindnings typ Bindningsenergi kj/mol Jon Kovalent Metall Van der Waal <40 R 40. Smältpunkt Potentiell energi Olika metalliska grundämnen har olika smältpunkt beroende på bindningskraft mellan atomerna. a 0 Atomavstånd Smält temp. ökar då bindningsenergi ökar. 0 K bindningsenergi mini 0 K bindningsenergi minimum E0

8 42. Sammanfattning Metall Pb Al Cu Fe W Smältpunkt C E-mod, GPa 1, Utvidgnings koeff Faser Vi behandlar tre faser i denna kurs i.e. fast (S), flytande (L) och gas (G). En fas är ett homogent och fysikaliskt distinkt del av ett system inom ett sammansättningsintervall och är separerat från andra delar av systemet med definitiva ytgränser. Det har ett atomiskt arrangemang som kan variera från att vara helt o-ordnat (G), med en viss fjärrordning, till att ha en kristallstruktur (S). Tex. is, vatten och ånga. Var och en fas är fysiskt distinkt, homogent och har definitiva fasgränser mellan faserna. Exempel på faser: vatten, smält koppar, Fe 3 C, FCC-α-mässing. Icke-exempel på faser: H 2 0, koppar, FCC, metall, mässing, ett korn Några instuderingsfrågor för Konstruktionsmaterial för T Förklara kort följande ord: legering, keram, komposit, fas, polymer. Vad är struktur? Vilka olika huvudgrupper av material finns? Vilka är deras egenskaper i grova drag? Förklara kort följande ord: bindningsenergi Vilka olika typer av atombindning finns, och vad kännetecknar dem? Rita för två atomer bindningsenergi och kraft som funktion av avstånd. Förklara egenskaper såsom E-modul, Smältpunkt och utvidgningskoefficient med hjälp av potentialkurvan. Förklara kort följande ord: amorf, anisotrop, tätpackad riktning, kristallstruktur,isotropi, gitter, gitterparameter, staplingssekvens, enhetscell, fjärrordning (long range order) Rita en BCC- och en FCC- -enhetscell. Förklara kort följande ord: dislokation, korn, korngräns, interstitiell defekt, punktdefekt, glidning, glidriktning, glidplan, glidsystem, staplingsfel, substitutionell defekt, ytdefekt, tvilling, vakans Rita en principskiss på en kantdislokation, glidriktning och glidplan. Förklara kort följande ord: duktilitet, elastisk deformation, brottförlängning, hårdhet, E-modul, plastisk deformation, brottgräns, sträckgräns, Vilken information kan man få från ett dragprov? Hur beror materialegenskaperna i allmänhet på temperaturen? Hur mäts hårdhet? Vilka andra materialegenskaper kan relateras till hårdhet? Diamant och grafit består av samma grundämne C. Förklara varför diamant är hård men grafit kan användas som smörjmedel.