Avancerad materialteknologi Sammanfattning Kap. 1 Atomanordningar Begrepp : struktur, strukturnivåer Atombindningar begrepp : attraktionskraft, repulsionskraft, potentiellenergi primära : jon-, kovalent-, metalliskbindning sekundära : van der Waals, vätebindning Kristallstruktur Kristallina och icke-kristallina material Begrepp : fjärr- och närordning Kristallsystem (7), kristallgitter (14) Kristalltyper : fcc, bcc och hcp, tätpackning av atomer, staplingsföljd Atompositioner, plan och riktningar i kristaller Miller index, Miller- Bravais system Weiss zonlag Stereografiska projektioner Grafisk metod beskrivning av kristallorienteringar 3-D info på pappersplan Konstruktion av stereogram för kubisk och hexagonal kristallstruktur Användning av stereogram t. ex. identifiera glidriktningar, representera anisotropiska egenskaper Polfigurer och textur Kapitel : 3 Faser och fasomvandlingar Stelning av smältor - kärnbildning och tillväxt, underkylning av smältor, dendritbildning. krympning under stelningsprocessen. Gjutstruktur, Gasinnehållet och porositet. Sieverts lag. Riktad stelning tillämpningar. Tillväxt av enkristaller - från smältor : Bridgman, Czochralski och Floating zone metoder - från fastfas : lätt deformation och glödgning
Fasdigram och deras tillämpningar Fas, Gibbs fasregel : 1 komponent system, t. ex. vatten, kol Huvudsatserna i termodynamik. du = δq + δw ; ds = δq rev / T C P = dh/dt = (δq/dt) P C V = du/dt = (δq/dt) V G = H T S dg = 0 (jämvikt) dg < 0 (spontan process) fasstabilitiet : motsvarar lägsta energi tillstånd Fasbegrepp Gibbsenergi för en homogen fas (lösning) - blandningsenergi G = H T S - Blandningsentropi S = k ln W = k ln [ N!] / [n! (N-n)!] = - R ( X A ln X A + X B ln X B ) - blandningsentalpi ( = 0 för ideala lösningar) Fasstabilitet - Gibbsenergi kurvor - begrepp kemiskpotential (partiella molära Gibbsenergi) för ett ämne i lösningen (konstruktion av gemensamma tangenter till Gibbsenergi kurvor) Eutektisk stelning Peritektisk stelning Segring under stelningsprocess - Coring - Cellular microsegregation Zonraffinering - kraftig minskning av föroreningar och kristalldefekter
Ternära fasdigram - t. ex. Fe-C-Mn - Konstruktion av ett ternärt fasdigram med hjälp av tre binära fasdiagram - ett ternärt system med tre binära system som visar fullständig löslighet i såväl fast som flytande fas - ett ternärt system med två binära eutektiska system och ett binärt system som visar fullständig löslighet i såväl fast som flytande fas - ett ternärt system med tre binära eutektiska system - konstruktion och användning av isotermsnitt och vertikala snitt i ternära system Lösningar - begrepp, utbyteslösningar, mellanrumslösningar, metalliska lösningar i fast och smält tillstånd - Löslighet och Hume-Rotherys regler radieförhållande, kristallstruktur, kemisk affinitet, elektron koncentration, valensskillnad och osymmetrisk löslighet Intermediära faser (Hume-Rotherys faser, elektronföreningar) - ordnad struktur (t. ex. CuZn, Cu 3 Au, CuAu, FeAl) - Hume-Rotherys regel Elektron/atom 3/2 21/13 7/4 Kubisk kubisk hcp Bcc, komplex komplex Intermediära fasernas stabilitet påverkar lösligheten i andra faser Kap. 4 Kristalldefekter - orsak till hållfastheten << teoretisk hållfasthet - punkt-, linje-, yt- och volymdefekter. Påverkar strukturkänsliga egenskaper - Vakanser (fraktion vakanser 10-4 för alla metaller, nära smältpunkten). n/n = e -E/RT Strålningsskador - vakanser och interstitialer Elektrisk resistivitet påverkas starkt av vakanser. ρ = A e -E/RT Vandring av vakanser. E Diffusion E bildning + E vandring
Släckning av ett material efter värmebehandling - leder till en övermättnad av vakanser och spänningar - Vakansernas roll i halvledaroxider (p- och n-typ) och deras tillämpningar Linjedefekter (dislokationer) : Som en linje på ytan eller en sluten slinga inuti Dislokationernas rörelse på glidplanen leder till plastisk deformation av materialet Renodlade typer : kant- och skruvdislokationer Begrepp : Burgers vector ( b )- glidriktning Dislokationens karaktär : Kantdislokation b u = 0 u är dislokationsvektor bu Blandad dislokation 0 < < 1 Alla tre typer förekommer i b bu Skruvdislokation = 1 en sluten dislokationsslinga b Kraft som verkar på en dislokation = τ b (N m -1 ) Peierls-Nabarro spänning (Skjuvspänning som behövs för glidning av en dislokation på ett glidplan) = τ = c e -(k.d/b) Cottrells mekanismen för glidning av dislokationer Klättring av dislokationer. Tvärglidning (Cross-slip). Schmids lag. Vilket glidsystem aktiveras först? Duplex slip / multiple slip Dislokationskvarn Frank-Read generatorn. Uppstockning. Forest of dislocations. Dislokationshack ( Jog ). Multiple Jog. Kink. Dislokationsdipol. Dislokationsenergi. Beteckning för Burgersvektorn. Växelverkan mellan dislokationer och minskning av energi. Partiella dislokationer. Staplingsfel. Sessile & Glissile. Frank Partials : dislokationer som är låsta - kan inte glida Shockley Partials : dislokationer som kan glida vidare Lomer lås och Cottrell-Lomer lås. Thomson tetraeder konstruktion och användning Ytdefekter staplingsfel, tvillinggränser, korngränser.
Kap. 5 Materialkarakteriseringsmetoder Ljusmikroskopi - Grunder - Optiska etsningsmetoder Mörkfältbelysning Polariseratljus Faskontrastmikroskopi Differential Interference Contrast Microscopy Elektronmikroskopi - TEM (Transmissionselektronmikroskopi) - SEM (Svepelektronmikroskopi) Grundprincip, Provberedning guldbeläggning Sekundära elektroner (SE), tillbakaspridda elektroner (BSE) Karakteristiska röntgenstrålar och EDS-analys Kikuchi mönster EBSP (Electron Back Scattering Pattern) ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) Dynamiska studier Röntgendiffraktion Termiskanalys TGA (Thermogravimetric analysis) DTA (Differential Thermal Analysis) DSC (Differential Scanning Calorimetry) Kap. 6 Fysikaliska egenskaper - värmekapacitet, värmeutvidgning, värmeledningsförmåga. Diffusion - Utjämningsförlopp, koncentrationsskillnader som drivande kraft - Ficks 1:a lag (stationärt tillstånd), begrepp : diffusivitet - Ficks 2:a lag (icke-stationärt tillstånd) - lösningar till Ficks 2:a lag (D f (C)) - halvoändligt ( semi-infinite ) och ändligt ( finite ) system
begrepp : heterodiffusion, självdiffusion, interstitiell och substitutionell diffusion, ytdiffusion, korngränsdiffusion, volymdiffusion, termiskdiffusion. Diffusionspar och Kirkendall effekt - Interdiffusion och Intrinsic diffusion - Lösning till Ficks 2:a lag ( D = f (C)) - Matano-ytan - Bestämning av totala ( Interdiffusion coefficient ) och individuella ( Intrinsic diffusion coefficients ) diffusionskonstanter Kap. 7 Mekaniska egenskaper Materialprovningsmetoder Dragprov Elastisk deformation. Sträckgränsfenomen. Plastisk deformation. Ludwig samband. Midjebildning och instabilitet. Considères konstruktion. Krypdeformation - Primär, sekundär och tertiär kryp Krypmekanismer. Deformationshärdning och återhämtning. Nortons kryp. Temperatur effekt. Klättring av dislokationer och självdiffusion av vakanser. Herring-Nabarro kryp och Coble kryp. Förbättringar i krypmotståndet - genom legering, introduktion av andrafaspartiklar, minska korngränsytan (enkristaller). Kap. 8 Seghärdning Härdningsmetoder Utskiljningshärdning genom fasomvandling - koherenta utskiljningar - upplösningsbehandling, släckning och åldring i Al-Cu system Eutektoidisk omvandling i Fe-C systemet Kärnbildning och tillväxt, TTT diagram Austenit perlit omvandling Kylningshastighet och omvandlingstemperatur
Kontroll över omvandlingsprocessen Austenit bainit omvandling Austenit martensit omvandling Anlöpning av martensit Termomekanisk behandling Kap. 9 Lätta legeringar Lättmetaller (Al, Mg och Ti) och deras legeringar. Termomekaniska behandlingar för att få önskvärda egenskaper Kap. 12 Korrosion och ytbehandling Oxidation - Oxidskikt och täckning av metallytor - Oxidstabilitet. Termodynamik bakom oxidationsprocessen. Oxidations kinetik linjär, parabolisk, kubisk och logaritmisk oxidation. Experimentell bestämning av oxidations hastighet Wagners teori för parabolisk oxidation. Korrosion Ytbehandling Kap. 13 Biomaterial - användningsområden - krav - tandvårdsmaterial - proteser (höft, knä, axel, hand ) - material för hjärtreparationer - ögonlinser m.m. - material för reglerad inmatning av droger
Kap. 14 Idrottsmaterial - tennis racket - golfklubbor - bågskytte - cyklar - vintersport - säkerhetshjälm