Metallit jaksollisessa järjestelmässä

Transkriptio

1 Metallit

2

3 Metallit käytössä

4 Metallit jaksollisessa järjestelmässä 4

5 Metallien rakenne

6 Ominaisuudet Hyvin muokattavissa, muovattavissa ja työstettävissä haluttuun muotoon Lujia Verraten korkea lämpötilan kesto Lujuutta ja muita ominaisuuksia voidaan varioida

7 Ominaisuudet Mistä ominaisuudet tulevat? Miten ominaisuudet voidaan selittää / ennakoida? Mitä ominaisuuksia voidaan odottaa erilaisilta metalleilta?

8 Deformaatio Metallit deformoituvat leikkausjännityksessä Atomit liukuvat toistensa lomitse Ei-suuntautunut metallisidos sallii deformaation 8

9 Deformaatio Kiteen teoreettinen lujuus: σ E/8 Todelliset lujuudet lähempänä σ E/1000 9

10 Mekanismi, jossa deformaatio mahdollista ilman että kaikki atomisidokset murtuvat yhtä aikaa Dislokaatiot - Keksitty Burgers (ruuvidislokaatiot) - Taylor, Orowan, Polany (särmädislokaatiot) 10

11 Särmädislokaatio

12 Dislokaatio-deformaatio

13

14 Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

15 Särmädislokaatio 15

16 Ruuvidislokaatio 16

17 Dislokaatioiden ominaisuuksia Eivät ala/lopu tyhjästä, vaan: muodostavat ympyröitä alkavat/loppuvat raerajoille, toisiin dislokaatioihin, tms. Särmädislokaatiot ovat rajoittuneet tietylle liukutasolle (aiheuttamansa siirtymän suunnassa) Ruuvidislokaatiot voivat liikkua liukutasoilla aiheuttamaansa siirtymään nähden kohtisuorassa

18 Mistä lujuus syntyy Mikä vastustaa dislokaatioiden liikettä? 18

19 Dislokaatioiden liikevastus Sisäinen vastus Jaksottainen voima Riippuu atomien välisestä etäisyydestä - Mitä suurempi atomitasojen välinen etäisyys, sitä pienempi voima tarvitaan dislokaation siirtämiseen - Mitä pienempi atomien välinen etäisyys tasossa sitä pienempi voima tarvitaan dislokaation siirtämiseen Peierls -jännitys tiivispakkauksellisilla tasoilla Peierls-jännitys on mitättömän pieni

20 Lujuus Jos Peierls-jännitys on mitättömän pieni, miksi metalleilla on lujuutta? Miksi murtolujuus on suurempi kuin myötölujuus? Miksi metallit lujittuvat muokkauksessa?

21 Dislokaation jännitystila

22 Dislokaatioiden vuorovaikutus Jännitystila aiheuttaa dislokaatioiden vuorovaikutusta Poistovoima Vetovoima

23 Vuorovaikutus hilan kanssa Vastaavasti dislokaatiot reagoivat muihin jännityskenttiin hilassa: Seosatomit Erkaumat jne. 23

24 Ristikkäisillä atomitasoilla liukuvat dislokaatiot aiheuttavat siirtymiä toisiinsa Siirtymät vaikeuttavat dislokaatioiden liikettä 24

25 Mistä dislokaatiot tulevat Frank-Reedin dislokaatiogeneraattori

26 Dislokaatioiden syntyminen

27 Dislokaatioiden syntyminen Kuormitus synnyttää dislokaatioita Frank-reedin dislokaatiolähde Muita (tuntemattomia) mekanismeja Plastisen deformaation aikana dislokaatioiden määrä kasvaa 27

28 Lujuus Lujuus riippuu dislokaatioiden liikevastuksesta Lujittuminen tapahtuu dislokaatioiden liikettä vaikeuttamalla toisia dislokaatioita jännityskenttiä hilaan - seosatomeja - vieraan faasin erkaumia - jne. 28

29 Muokkauslujittuminen Plastinen deformaatio aiheuttaa dislokaatioiden määrän kasvun Dislokaatiot häiritsevät enenevässä määrin toistensa liikettä Dislokaatioiden liike vaikeutuu Lujuus kasvaa plastisen deformaation vaikutuksesta Materiaali muokkauslujittuu

30 Dislokaatioita

31 Kaksostuminen Voimakkaassa deformaatiossa voi tapahtua kaksostumista (twinning), jossa kiteen suunta kääntyy kiteen sisään syntyy pieni-energinen kulmamuutos (dislokaatioiden välittämä) Mahdollistaa deformaation, jota dislokaatiot eivät voi välittää

32 Kaksonen

33 Kaksoset Vaihtoehtoinen deformaatiomekanismi Kiteeseen muodostuu pienienergisiä pienen kulman rajoja

34 Metallien kiderakenne

35 Monirakeinen metalli Jähmettymisen yhteydessä metallit kiteytyvät atomit pinoutuvat toistensa lomaan siten, että energia minimoituu Jähmettyminen alkaa useasta kiteytymisytimestä Kiteiden suunnat satunnaisia Näin muodostuneet kiteet ( rakeet ) liittyvät toisiinsa Kiteiden väliin jää rajoja (raerajoja) joissa eri tavalla suuntautuneet kiteet liittyvät toisiinsa

36 Rakeet

37 Raerajat 37

38

39

40

41 Raerajat Atomit liittyvät toisiinsa myös raerajoilla välissä ei ole ei-kiteistä ainetta tms. Atomit eivät sovi toistensa lomaan yhtä hyvin raerajoilla korkeampi energia välttämättömiä dislokaatioita Dislokaatiot eivät voi liikkua raerajojen yli Dislokaatiot pinoutuvat/jonoutuvat raerajoille, ja aiheuttavat jännityskeskittymiä

42 Raekoko Raekoko vaihtelee materiaaleilla riippuen Valmistuksesta Lämpökäsittelystä jne. Tyypillisesti kymmeniä tai satoja mikrometrejä Voidaan tehdä makroskooppisia erilliskiteitä Raekoko satoja mm Voidaan tehdä hyvin hienorakeisia ( nanokiteisiä ) materiaaleja, joissa raekoko << 1 µm

43

44 Raekoko Pieni raekoko lisää lujuutta Pieni raekoko lisää sitkeyttä

45 Jähmeän tilan muutokset Korkeassa lämpötilassa raekoko pyrkii kasvamaan Voimakkaasti muokatussa materiaalissa voi käynnistyä uudelleenkiteytyminen ( rekristallisaatio ) Materiaalissa tapahtuvat kidemuodon muutokset (esim. lämpötilan muutoksen vaikutuksesta) voivat aiheuttaa uudelleenkiteytymisen

46 Monikiteisen materiaalin deformaatio Monikiteisen materiaalin deformaatio vaatii satunnaisesti orientoituneiden kiteiden deformoitumista Materiaalin tilavuus pysyy samana Tarvitaan 5 riippumatonta liukusysteemiä, jotta voidaan välittää mielivaltainen deformaatio

47 Metallien kidetyypit

48 Kiderakenne Metalliatomit pinoutuvat eri tavoin Pinoutuminen vaikuttaa lujuuteen, sitkeyteen ja muihin ominaisuuksiin

49 Uudelleenkiteytyminen voi tapahtua kiinteässä tilassa Eri metalleilla erilainen kidemuoto Joillain metalleilla voi olla useita stabiileja kidemuotoja (eri lämpötiloissa) Esim. teräs: - <912 C => BCC ferriitti C C => FCC austeniitti C C => BCC delta-ferriitti

50 Tiivispakkaukselliset 50

51 PKK 51

52 PKK Pintakeskinen kuutiollinen hila (PKK) Face centered cubic (FCC) Tiivispakkauksellinen Peiers -jännitys hyvin pieni Useita ristikkäisiä tiivispakkauksellisia tasoja 5 riippumatonta, tiivispakkauksellista liukusysteemiä

53 Ominaisuudet Suuri muodonmuutoskyky ja sitkeys Matala lujuus Voimakas muokkauslujittuminen Esim: alumiini, kupari, nikkeli

54 Esim. Alumiini

55 TPH 55

56 TPH Tiivispakkauksellinen heksagonaalinen (TPH) Close packed hexagonal (CPH) Liukuminen tiivispakkauksellisissa tasoissa helppoa Liukuminen muissa tasoissa vaikeaa Vain neljä riippumatonta liukusysteemiä joilla liukuminen helppoa tarvitaan kaksostumista tai liukumista vaikeammilla tasoilla mielivaltaisen deformaation välittämiseen Esim.: koboltti, tina 56

57 TKK 57

58 TKK Tila keskinen kuutiollinen (TKK) Bace centered cubic (BCC) Ei tiivispakkauksellisia tasoja => suuri Peierls jännitys Suuri lujuus Vähäinen muokkauslujittuminen Riittävästi riippumattomia liukutasoja Esim: teräs

59 Teräs jännitys-venymäkäyrä

60

61

62 Metalliseokset

63 Metalliseokset Metallit liuottavat vieraita aineita (tiettyyn rajaan saakka) Korvaus- tai välisija-atomeina Faasit

64 Välisija-atomit Hakeutuvat hilan koloihin FCC hilassa vähemmän tyhjää tilaa, mutta isommat kolot kuin BCC - Liukoisuus suurempi Venyttävät ja vääristävät hilaa Välisija-atomit pienempiä kuin kantafaasin atomit Esim: - hiili teräksessä - boori teräksessä Liukoisuus tyypillisesti verraten pientä

65 Korvausatomit Korvaavat kantafaasin atomipaikan hilassa Eri kokoisina vääristävät ja venyttävät hilaa Korvausatomit samaa suuruusluokkaa kuin kantafaasin atomit Hyvin samankokoiset atomit liukenevat toisiinsa hyvin Esim: Cu - Ag

66 Faasit Liukoisuusalueen ulkopuolella muodostavat oman faasin Aine koostuu eri tavalla kiteytyneistä ja eri koostumuksen omaavista alueista toistensa lomassa

67 Pallografiittivalurauta

68 Rauta-hiili

69 Perliitti 69

70 Diffuusio Atomit sekoittuvat metalleissa Koostumuserot tasoittuvat Lämpötilariippuvaa Diffuusionopeus vaihtelee

71 Vakanssit Pistemäisiä hilavirheitä Mahdollistavat diffuusion

72 Dislokaatiot Viivamaisia hilavirheitä

73 Mikrorakenne Mikrorakenne Seoksen faasit Raerakenne Hilavirheet Vaikuttaa lukuisiin ominaisuuksiin Lujuus Sitkeys jne. Metallit ovat metastabiileja

74 Lujittaminen Kaikki lujittaminen tapahtuu vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä Liuoslujittaminen Erkautuslujittaminen Muokkauslujittuminen

75 Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa Vääristyneessä hilassa dislokaatioiden on vaikeampi liikkua

76 Erkautuslujittaminen Erkaumat estävät dislokaatioiden liikettä

77 Muokkauslujittuminen Muokkaus generoi dislokaatioita Dislokaatiotiheys kasvaa Dislokaatiot takertuvat toisiinsa ja vaikeuttavat toistensa liikettä

78 Muokkauslujittuminen

79 Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta

80 Pehmeäksi hehkutus Korkeassa lämpötilassa muokkauslujittumisen vaikutukset häipyvät Dislokaatiotiheys pienenee Materiaali pehmenee Sitkeys kasvaa

81 Erkautuskarkaisu Korkeassa lämpötilassa seosaineet liuotetaan Nopealla jäähdytyksellä seosaineet jäävät liuokseen Kontrolloitu hehkutus erkauttaa paljon pieniä erkaumia