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

Samankaltaiset tiedostot
Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 2

Metallit jaksollisessa järjestelmässä

Makroskooppinen approksimaatio

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

Luku 3: Kiinteiden aineiden rakenne

Chem-C2400 Luento 2: Kiderakenteet Ville Jokinen

Dislokaatiot - pikauusinta

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

Tärkeitä tasapainopisteitä

Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 3

Faasialueiden nimeäminen/tunnistaminen (eutek1sessa) tasapainopiirroksessa yleises1

Luku 3: Virheetön kide

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

Seoksen pitoisuuslaskuja

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

Ydinjätekapselin deformaatiomekanismit Projektin johtaja: Hannu Hänninen Tutkijat: Kati Savolainen ja Tapio Saukkonen

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Yksikkökoppi Pienin toistuva rakenne materiaalin sisällä.

Korkealämpötilakemia

Kiinteiden'materiaalien'magnee-set'ominaisuudet'

Raerajalujittuminen LPK / Oulun yliopisto

Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Pehmeä magneettiset materiaalit

AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT

Kiinteiden materiaalien magneettiset ominaisuudet

Alikuoret eli orbitaalit

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Materiaalifysiikan perusteet P Ratkaisut 1, Kevät 2017

Lovilujittuminen. Lovessa kolmiaksiaalinen jännitystila Lovessa materiaali käyttäytyy kuin se*olisi lujempi

Puolijohteet. luku 7(-7.3)

Faasimuutokset ja lämpökäsittelyt

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Fe - Nb - C ja hienoraeteräkset

Standarditilat. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 2. Tutustua standarditiloihin

Muita tyyppejä. Bender Rengas Fokusoitu Pino (Stack) Mittaustekniikka

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Puhtaat aineet ja seokset

Käsitteitä. Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä

KOVAJUOTTEET Somotec Oy. fosforikupari. hopea. messinki. alumiini. juoksutteet.

781611S KIINTEÄN OLOMUODON KEMIA (4 op)

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

(Huom! Oikeita vastauksia voi olla useita ja oikeasta vastauksesta saa yhden pisteen)

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

Kertaus. Tehtävä: Kumpi reagoi kiivaammin kaliumin kanssa, fluori vai kloori? Perustele.

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

2. Koska f(5) > 8 ja yhdeksän pisteen varaan voidaan virittää kupera viisikulmio, niin f(5) = 9.

a) Puhdas aine ja seos b) Vahva happo Syövyttävä happo c) Emäs Emäksinen vesiliuos d) Amorfinen aine Kiteisen aineen

Kiinteän aineen ominaisuuksia I. Kiteisen aineen perusominaisuuksia

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

Materiaalifysiikkaa antimaterialla. Filip Tuomisto Teknillisen fysiikan laitos Aalto-yliopisto

RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

CHEM-C2400 MATERIAALIT SIDOKSESTA RAKENTEESEEN (5 op) Laskuharjoitus 1

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

Keskinopea jäähtyminen: A => Bainiitti

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

782630S Pintakemia I, 3 op

d) Klooria valmistetaan hapettamalla vetykloridia kaliumpermanganaatilla. (Syntyy Mn 2+ -ioneja)

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

Kiteiden plastisuus ja dislokaatiot

Fysikaaliset ominaisuudet

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Liite A : Kuvat. Kuva 1.1: Periaatekuva CLIC-kiihdyttimestä. [ 1 ]

A-osa. Ratkaise kaikki tämän osan tehtävät. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6. Taulukkokirjaa saa käyttää apuna, laskinta ei.

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

Joensuun yliopisto Kemian valintakoe/

1. (*) Luku 90 voidaan kirjoittaa peräkkäisen luonnollisen luvun avulla esimerkiksi

Tekniikan valintakokeen laskutehtävät (osio 3): Vastaa kukin tehtävä erilliselle vastauspaperille vastaukselle varattuun kohtaan

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

1. a) Selitä kemian käsitteet lyhyesti muutamalla sanalla ja/tai piirrä kuva ja/tai kirjoita kaava/symboli.

Metallurgian perusteita

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Lasku- ja huolimattomuusvirheet - ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

Firan vesilaitos. Laitosanalyysit. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

Transkriptio:

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

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

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

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

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

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

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

Tasapainokonsentraatio: pistemäiset viat Tasapainokonsentraatio riippuu lämpötilasta! vikojen lkm N v N = exp - Q v kt vikojen potentiaalinen lkm Boltzmannin vakio aktivaatioenergia (1,38 x 10-23 J/atomi-K) (8,62 x 10-5 ev/atomi-k) jokainen atomipaikka on potentiaalinen vakanssin paikka lämpötila Chapter 4-8

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

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 10 23 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 10-4 1273K 8,62 x 10-5 ev/atomi-k x 1 m 3 = 8,0 x 10 28 atomipaikkaa Nv = (2,7 x 10-4 )(8,0 x 10 28 ) paikkaa = 2,2 x 10 25 vakanssia Chapter 4-10

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. 622-625 (2001), (5.75 mm by 5.75 mm,) Copyright (2001) Macmillan Publishers, Ltd, Chapter 4-11

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Mikroskopia Optinen resoluutio n. 10-7 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, > 1000000x suurennos elektronisuihku kohdistetaan magneettisten linssien avulla Chapter 4-29

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

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 1995. Hiilimonoksidimolekyylejä järjesteltynä platina (111) pinnalle Rauta-atomeja järjesteltynä kupari (111) pinnalle (nämä Kanji-merkit esittävät sanaa atomi ) Chapter 4-31

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

Luettavaa: Tiedotettavaa Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa Chapter 4-33