Luku 4: Hilaviat. Käsiteltäviä aiheita. Mitkä ovat jähmettymismekanismit? Millaisia virheitä kiinteissä aineissa on?

Transkriptio

1 Käsiteltäviä aiheita Luku 4: Hilaviat Mitkä ovat jähmettymismekanismit? Millaisia virheitä kiinteissä aineissa on? Voidaanko vikojen määrää ja tyyppiä kontrolloida? Miten viat vaikuttavat materiaaliominaisuuksiin? Ovatko viat epätoivottuja? Chapter 4-1

2 Viat kiinteässä aineessa Jähmettyminen sulan materiaalin valamisen lopputulos 2 vaihetta ydintyminen rakeenkasvu - kiderakenne Alkaa sulasta materiaalista vain nestettä ydintyminen rakeenkasvu kiderakenne sulaa Fig.4.14 (b), Callister 7e. Rakeet kasvavat, kunnes ne kohtaavat toisensa Chapter 4-2

3 Monikiteiset materiaalit Raerajat Alueet kiteiden välissä Siirtymä kiteen hilasta toiseen Pieni epäjatkuvuus Matala tiheys raerajoilla suuri liikkuvuus suuri diffuusio suuri kemiallinen aktiivisuus Fig. 4.7, Callister 7e. Chapter 4-3

4 Jähmettyminen Rakeet voivat olla tasa-aksiaalisia (lähes sama koko joka suunnassa) pylväsmäisiä (venyneet rakeet) ~ 8 cm lämmön siirtyminen vähän alijäähtymistä: pylväsmäinen rakenne Fig. 4.12, Callister 7e. nopea jäähtyminen: tasa-aksiaalisia rakeita (suuri T) lähellä reunaa Ymppäys: sulan seostamista aineella, joka pienentää raekokoa ja muodostaa tasa-aksiaalisempia rakeita Chapter 4-4

5 Hilaviat kiinteässä aineessa Yksikään kide materiaalissa ei ole täydellinen millaisia vikoja syntyy? miksi ne ovat tärkeitä? Hilaviat vaikuttavat moniin tärkeisiin materiaaliominaisuuksiin Chapter 4-5

6 Vikojen tyyppejä Vakanssiatomit Välisija-atomit Korvausatomit Dislokaatiot Raerajat pistemäisiä vikoja viivamaisia vikoja tasomaisia vikoja Chapter 4-6

7 Pistemäiset viat vakanssit: tyhjiä atomipaikkoja rakenteessa atomitasojen vääristymä vakanssi välisija-atomit: ylimääräinen atomi atomipaikkojen välissä välisija-atomi atomitasojen vääristymä Chapter 4-7

8 Tasapainokonsentraatio: pistemäiset viat Tasapainokonsentraatio riippuu lämpötilasta! vikojen lkm N v N = exp - Q v kt vikojen potentiaalinen lkm Boltzmannin vakio aktivaatioenergia (1,38 x J/atomi-K) (8,62 x 10-5 ev/atomi-k) jokainen atomipaikka on potentiaalinen vakanssin paikka lämpötila Chapter 4-8

9 Aktivaatioenergian mittaaminen Q v voidaan määrittää kokeellisesti Mitataan N v N = exp - Q v kt Logaritminen asteikko,,, Nv N exponentiaalinen riippuvuus! Nv ln N kulmakerroin -Qv /k T vikojen esiintymistiheys 1/T Chapter 4-9

10 Vakanssitiheyden arviointi Arvioidaan vakanssien lukumäärä 1 m 3 Cu 1000 C:ssa Tiedetään: r = 8,4 g/cm 3 ACu = 63,5 g/mol Q v = 0,9 ev/atom NA = 6,02 x atomia/mol N v N = exp - Q v kt 1 m 3, N = r x NA ACu Vastaus: 0,9 ev/atomi = 2,7 x K 8,62 x 10-5 ev/atomi-k x 1 m 3 = 8,0 x atomipaikkaa Nv = (2,7 x 10-4 )(8,0 x ) paikkaa = 2,2 x vakanssia Chapter 4-10

11 Tasapainon mukainen vakanssien määrä Elektronimikroskooppikuva NiAl:n (110) pinnasta Pinnalla oleva atomisaareke kasvaa lämpötilan T noustessa Miksi? - tasapainon mukainen vakanssien määrää työntää atomeja kohti pintaa - kiteen pinnassa atomit liittyvät saarekkeisiin saareke kasvaa/kutistuu säilyttääkseen tasapainon mukaisen vakanssimäärän rakenteessa (K.F. McCarty, J.A. Nobel, and N.C. Bartelt, "Vacancies in Solids and the Stability of Surface Morphology", Nature, Vol. 412, pp (2001), (5.75 mm by 5.75 mm,) Copyright (2001) Macmillan Publishers, Ltd, Chapter 4-11

12 Pistemäiset viat seosmetalleissa Kun toista alkuainetta (B) seostetaan toiseen (A): jähmeä iuos, jossa B:tä A:ssa (satunnaisissa paikoissa) TAI korvausatomeina (esim. Cu Ni:ssä) välisija-atomeina (esim. C Fe:ssa) jähmeä liuos, jossa B:tä A:ssa ja toista faasia (usein suuremmalla B- pitoisuudella) toisen faasin partikkeli - eri koostumus - usein eri rakenne Chapter 4-12

13 Liukeneminen Edellytykset jähmeälle korvausliuokselle W. Hume Rothery säännöt r (atomisäde) < 15% läheisyys jaksollisessa järjestelmässä (samankaltaiset elektronegatiivisuudet) sama kiderakenne puhtaina metalleilla valenssi (muiden ominaisuuksien ollessa yhtenevät, on metallilla suurempi taipumus liuottaa metallia, jolla on korkea valenssi) Chapter 4-13

14 Liukeneminen Esimerkki: jähmeät liuokset 1. liuottaako sinkki (Zn) enemmän Al vai Ag? 2. kupari (Cu) enemmän Al vai Zn? Aine Atomi- Kide- Elektro- Valenssi säde rakenne negatiivi- (nm) suus Cu 0,1278 FCC 1,9 +2 C 0,071 H 0,046 O 0,060 Ag 0,1445 FCC 1,9 +1 Al 0,1431 FCC 1,5 +3 Co 0,1253 HCP 1,8 +2 Cr 0,1249 BCC 1,6 +3 Fe 0,1241 BCC 1,8 +2 Ni 0,1246 FCC 1,8 +2 Pd 0,1376 FCC 2,2 +2 Zn 0,1332 HCP 1,6 +2 s, 106, Callister 7e, Chapter 4-14

15 Koostumus Liukeneminen m1 painoprosentteina C1 = x 100 m m m 1 = ainesosan 1 massa 1 2 atomiprosentteina C ' 1 = n m1 n m1 n m2 x 100 n m1 = ainesosan 1 ainemäärä (mol) Chapter 4-15

16 Dislokaatiot ovat viivamaisia vikoja liukumista kidetasojen välillä tapahtuu, kun dislokaatiot liikkuvat synnyttää pysyvää (plastista) muodonmuutosta Esim. erilliskide Viivamaiset viat ennen deformaatiota deformation jälkeen liukuminen Fig, 7,8, Callister 7e, Chapter 4-16

17 Viat kiinteissä aineissa Viivamaiset viat (dislokaatiot) ovat yksiulotteisia vikoja, joiden ympärillä atomit eivät ole linjassa Särmädislokaatio ylimääräinen atomitaso kiderakenteessa merkintä b Ruuvidislokaatio leikkausjännityksen synnyttämä kierteinen tasanne merkintä b Burgers-vektori, b: dislokaation suuruus Chapter 4-17

18 särmädislokaatio Viat kiinteissä aineissa Fig. 4.3, Callister 7e. Chapter 4-18

19 Särmädislokaation liike Dislokaation liike vaatii sarjamaista atomisidosten rikkoutumista (vasemmalta oikealla tässä esimerkissä) Sidokset liukutason yli rikkoutuvat ja muodostuvat uudelleen yksi kerrallaan särmädislokaation liike hilassa, kun hilaan kohdistuu leikkausjännitys (Courtesy P.M. Anderson) Chapter 4-19

20 ruuvidislokaatio Screw Dislocation Viat kiinteissä aineissa Dislokaatioviiva Burgers-vektori b (a) Fig. 4.4, Callister 7e. b (b) Chapter 4-20

21 Särmä-, ruuvi-, ja sekadislokaatiot seka särmä Fig. 4.5, Callister 7e. ruuvi Chapter 4-21

22 Viat kiinteissä aineissa Dislokaatioita voidaan tarkastella elektronimikroskoopilla Fig. 4.6, Callister 7e. Chapter 4-22

23 Dislokaatiot ja kiderakenne Rakenne: dislokaatiot suosivat tiivispakkauksellisia tasoja ja suuntia tiivispakkauksellinen taso (alla) kaksi päällekäistä tiivispakkauksellista tasoa tiivispakkauksellinen taso (yllä) Vertailu eri kiderakenteiden välillä: pkk: useita tiivispakkauksellisia tasoja ja suuntia; tph: vain yksi taso, kolme suuntaa; tkk: ei yhtään tiivispakkauksellista tasoa tiivispakkaukselliset suunnat poikkivedettyjä koesauvoja vetosuunta Mg (tph) Al (pkk) Chapter 4-23

24 Tasomaiset viat kiinteissä aineissa Yksi tasomainen vika on kaksosraja atomien sijainnit ovat peilikuvat kaksostumistason yli Fig. 4.9, Callister 7e. Pinousviat pkk-metallilla poikkeama ABCABC pakkausjärjestyksestä esim. ABCABABC Chapter 4-24

25 Mikroskooppinen tarkastelu Kiteet (rakeet) voivat olla melko suuria ja nähtävissä paljain silmin esim. timantin, piin tai kvartsin suuri erilliskide esim. kuumasinkitty levy tai lyhtypylväs Kiteet (rakeet) voivat olla myös hyvin pieniä (< mm) ja nähtävissä vain mikroskooppitarkastelussa Chapter 4-25

26 Optinen mikroskopia Käyttökelpoinen jopa 2000x suurennoksiin Kiillotus poistaa pinnan epätasaisuudet Syövytys muuttaa heijastusta riippuen kiteen orientaatiosta Fig. 4.13(b) and (c), Callister 7e. kristallografiset tasot mikroskooppikuva messingistä (Cu-Zn seos) 0,75mm Chapter 4-26

27 Raerajat ovat vikoja syöpyvät voimakkaammin, voivat näkyä tummina viivoina muuttavat kideorientaatiota raerajan yli ASTM raekoko N = 2 n-1 Optinen mikroskopia (a) kiillotettu pinta pintaura raeraja Fig. 4.14(a) and (b), Callister 7e. rakeiden lkm/neliötuuma 100x suurennoksella Fe-Cr seos (b) Chapter 4-27

28 Optinen mikroskopia Polarisoitu valo metallografiset mikroskoopit käyttävät usein polarisoitua valoa parantamaan konrtastia käytetään myös läpinäkyville näytteille, kuten polymeereille Chapter 4-28

29 Mikroskopia Optinen resoluutio n m = 0,1 mm = 100 nm Korkeampi resoluutio vaatisi pienempää aallonpituutta Röntgensäteet? hankala tarkentaa Elektronit aallonpituus n. 3 pm (0,003 nm) atomitason resoluutio mahdollinen, > x suurennos elektronisuihku kohdistetaan magneettisten linssien avulla Chapter 4-29

30 Mikroskopia optinen mikroskopia Fig. 4.15(a) and (b), Callister 7e. Chapter 4-30

31 Tunnelointimikroskooppi (STM) Atomeja voidaan järjestellä ja kuvata Photos produced from the work of C.P. Lutz, Zeppenfeld, and D.M. Eigler. Reprinted with permission from International Business Machines Corporation, copyright Hiilimonoksidimolekyylejä järjesteltynä platina (111) pinnalle Rauta-atomeja järjesteltynä kupari (111) pinnalle (nämä Kanji-merkit esittävät sanaa atomi ) Chapter 4-31

32 Yhteenveto Kiinteissä aineissa on piste-, viiva-, ja tasovikoja Vikojen lukumäärää ja tyyppiä voidaan kontrolloida (esim. vakanssien määrää riippuu lämpötilasta) Viat vaikuttavat materiaaliominaisuuksiin (esim. raerajat vaikuttavat dislokaatioiden liikkumiseen) Viat voivat olla toivottuvia tai epätoivottuvia (esim. dislokaatiot voivat olla hyvä tai huono asia, riippuen siitä onko plastinen muodonmuutos haluttua vai ei) Chapter 4-32

33 Luettavaa: Tiedotettavaa Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa Chapter 4-33