Metallit
Metallit käytössä
Metallit jaksollisessa järjestelmässä 4
Metallien rakenne
Ominaisuudet Hyvin muokattavissa, muovattavissa ja työstettävissä haluttuun muotoon Lujia Verraten korkea lämpötilan kesto Lujuutta ja muita ominaisuuksia voidaan varioida
Ominaisuudet Mistä ominaisuudet tulevat? Miten ominaisuudet voidaan selittää / ennakoida? Mitä ominaisuuksia voidaan odottaa erilaisilta metalleilta?
Deformaatio Metallit deformoituvat leikkausjännityksessä Atomit liukuvat toistensa lomitse Ei-suuntautunut metallisidos sallii deformaation 8
Deformaatio Kiteen teoreettinen lujuus: σ E/8 Todelliset lujuudet lähempänä σ E/1000 9
Mekanismi, jossa deformaatio mahdollista ilman että kaikki atomisidokset murtuvat yhtä aikaa Dislokaatiot - Keksitty 1934 - Burgers (ruuvidislokaatiot) - Taylor, Orowan, Polany (särmädislokaatiot) 10
Särmädislokaatio
Dislokaatio-deformaatio
Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä
Särmädislokaatio 15
Ruuvidislokaatio 16
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
Mistä lujuus syntyy Mikä vastustaa dislokaatioiden liikettä? 18
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
Lujuus Jos Peierls-jännitys on mitättömän pieni, miksi metalleilla on lujuutta? Miksi murtolujuus on suurempi kuin myötölujuus? Miksi metallit lujittuvat muokkauksessa?
Dislokaation jännitystila
Dislokaatioiden vuorovaikutus Jännitystila aiheuttaa dislokaatioiden vuorovaikutusta Poistovoima Vetovoima
Vuorovaikutus hilan kanssa Vastaavasti dislokaatiot reagoivat muihin jännityskenttiin hilassa: Seosatomit Erkaumat jne. 23
Ristikkäisillä atomitasoilla liukuvat dislokaatiot aiheuttavat siirtymiä toisiinsa Siirtymät vaikeuttavat dislokaatioiden liikettä 24
Mistä dislokaatiot tulevat Frank-Reedin dislokaatiogeneraattori
Dislokaatioiden syntyminen
Dislokaatioiden syntyminen Kuormitus synnyttää dislokaatioita Frank-reedin dislokaatiolähde Muita (tuntemattomia) mekanismeja Plastisen deformaation aikana dislokaatioiden määrä kasvaa 27
Lujuus Lujuus riippuu dislokaatioiden liikevastuksesta Lujittuminen tapahtuu dislokaatioiden liikettä vaikeuttamalla toisia dislokaatioita jännityskenttiä hilaan - seosatomeja - vieraan faasin erkaumia - jne. 28
Muokkauslujittuminen Plastinen deformaatio aiheuttaa dislokaatioiden määrän kasvun Dislokaatiot häiritsevät enenevässä määrin toistensa liikettä Dislokaatioiden liike vaikeutuu Lujuus kasvaa plastisen deformaation vaikutuksesta Materiaali muokkauslujittuu
Dislokaatioita
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
Kaksonen
Kaksoset Vaihtoehtoinen deformaatiomekanismi Kiteeseen muodostuu pienienergisiä pienen kulman rajoja
Metallien kiderakenne
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
Rakeet
Raerajat 37
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
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
Raekoko Pieni raekoko lisää lujuutta Pieni raekoko lisää sitkeyttä
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
Monikiteisen materiaalin deformaatio Monikiteisen materiaalin deformaatio vaatii satunnaisesti orientoituneiden kiteiden deformoitumista Materiaalin tilavuus pysyy samana Tarvitaan 5 riippumatonta liukusysteemiä, jotta voidaan välittää mielivaltainen deformaatio
Metallien kidetyypit
Kiderakenne Metalliatomit pinoutuvat eri tavoin Pinoutuminen vaikuttaa lujuuteen, sitkeyteen ja muihin ominaisuuksiin
Uudelleenkiteytyminen voi tapahtua kiinteässä tilassa Eri metalleilla erilainen kidemuoto Joillain metalleilla voi olla useita stabiileja kidemuotoja (eri lämpötiloissa) Esim. teräs: - <912 C => BCC ferriitti - 912 C - 1394 C => FCC austeniitti - 1394 C - 1538 C => BCC delta-ferriitti
Tiivispakkaukselliset 50
PKK 51
PKK Pintakeskinen kuutiollinen hila (PKK) Face centered cubic (FCC) Tiivispakkauksellinen Peiers -jännitys hyvin pieni Useita ristikkäisiä tiivispakkauksellisia tasoja 5 riippumatonta, tiivispakkauksellista liukusysteemiä
Ominaisuudet Suuri muodonmuutoskyky ja sitkeys Matala lujuus Voimakas muokkauslujittuminen Esim: alumiini, kupari, nikkeli
Esim. Alumiini
TPH 55
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
TKK 57
TKK Tila keskinen kuutiollinen (TKK) Bace centered cubic (BCC) Ei tiivispakkauksellisia tasoja => suuri Peierls jännitys Suuri lujuus Vähäinen muokkauslujittuminen Riittävästi riippumattomia liukutasoja Esim: teräs
Teräs jännitys-venymäkäyrä
Metalliseokset
Metalliseokset Metallit liuottavat vieraita aineita (tiettyyn rajaan saakka) Korvaus- tai välisija-atomeina Faasit
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
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
Faasit Liukoisuusalueen ulkopuolella muodostavat oman faasin Aine koostuu eri tavalla kiteytyneistä ja eri koostumuksen omaavista alueista toistensa lomassa
Pallografiittivalurauta
Rauta-hiili
Perliitti 69
Diffuusio Atomit sekoittuvat metalleissa Koostumuserot tasoittuvat Lämpötilariippuvaa Diffuusionopeus vaihtelee
Vakanssit Pistemäisiä hilavirheitä Mahdollistavat diffuusion
Dislokaatiot Viivamaisia hilavirheitä
Mikrorakenne Mikrorakenne Seoksen faasit Raerakenne Hilavirheet Vaikuttaa lukuisiin ominaisuuksiin Lujuus Sitkeys jne. Metallit ovat metastabiileja
Lujittaminen Kaikki lujittaminen tapahtuu vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä Liuoslujittaminen Erkautuslujittaminen Muokkauslujittuminen
Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa Vääristyneessä hilassa dislokaatioiden on vaikeampi liikkua
Erkautuslujittaminen Erkaumat estävät dislokaatioiden liikettä
Muokkauslujittuminen Muokkaus generoi dislokaatioita Dislokaatiotiheys kasvaa Dislokaatiot takertuvat toisiinsa ja vaikeuttavat toistensa liikettä
Muokkauslujittuminen
Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta
Pehmeäksi hehkutus Korkeassa lämpötilassa muokkauslujittumisen vaikutukset häipyvät Dislokaatiotiheys pienenee Materiaali pehmenee Sitkeys kasvaa
Erkautuskarkaisu Korkeassa lämpötilassa seosaineet liuotetaan Nopealla jäähdytyksellä seosaineet jäävät liuokseen Kontrolloitu hehkutus erkauttaa paljon pieniä erkaumia