CHEM-A1410, luento 4 CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet, 4. luento, muut ominaisuudet Jari Aromaa, Kemian tekniikan ja metallurgian laitos 4. luento, sisällys Kiinteän materiaalin ominaisuudet ovat: Mekaaniset ominaisuudet Sähköiset ominaisuudet Lämpöominaisuudet Magneettiset ominaisuudet Optiset ominaisuudet Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet 2 1
CHEM-A1410, luento 4 Sähköiset ominaisuudet Riippuvat materiaalin vapaiden varauksenkuljettajien määrästä ja varauksesta. Ominaisvastus, johtokyky Puolijohdeominaisuudet Virrankuljetuskyky (ampacity), paljonko virtaa ennen kuin sulaa poikki. Dielektrisyysvakio Ominaisvastuksen lämpötilariippuvuus Pintavastus 3 Sähköiset ominaisuudet Kuinka hyvin materiaali kykenee kuljettamaan sähkövirtaa? Vastaus on Ohmin laki, U = R I, eli jännitehäviö U (V) on vastuksen R ( ) ja virran I (A) tulo. Vastuksen arvo riippuu kappaleen muodosta ja materiaalista. Materiaalin ominaisvastus ei riipu kappaleen muodosta = ja edelleen = Ominaisvastuksen yksikkö on m. 4 2
CHEM-A1410, luento 4 Sähköiset ominaisuudet Sähkönjohtavuuden mittaaminen Lähde: Callister & Rethwisch, Materials Science and Engineering, An Introduction. 8th ed. jännite V ala A ominaisvastus r = virta I pituus l 5 Sähköiset ominaisuudet Toisinaan käytetään ominaisvastuksen sijasta materiaalin johtokykyä, eli ominaisvastuksen käänteislukua =, yksikkö on -1 m -1 = S/m. Johtokykyä käytetään materiaalien luokitteluun: Johde, tyypillisesti johtokyky 10 7 S/m Eriste, 10-20 10-10 S/m Puolijohde, 10-6 10 4 S/m. 6 3
CHEM-A1410, luento 4 Sähköiset ominaisuudet Metalliatomi kykenee luovuttamaan uloimman kuoren elektronit tai osan niistä helposti. Metallikiteessä positiiviset metalli-ionit pakkautuvat toistensa lähelle. Metalliatomien luovuttamat sidoselektronit liikkuvat metalli-ionien välissä. Sidoselektronien liikkuvuuden ansiosta metallit johtavat hyvin sähköä ja lämpöä. Eristeessä elektronit ovat sitoutuneet atomeihin. Jos uloin kuori on täynnä, ei elektronien irtautuminen ole mahdollista. 7 Sähköiset ominaisuudet Puolijohteissa sidoselektronit eivät ole täysin vapaasti liikkuvia kuten metalleissa, mutta ne vapautuvat hyvin pienellä energialisällä atomeistaan. Kun sidoselektroni poistuu paikaltaan, niin sidokseen jää elektronivajaus eli aukko, joka on paikallinen positiivinen varaus. Sidokseen syntyy elektroni-aukkopari. Aukko voi liikkua siten, että aukkoon tulee viereisestä sidoksesta uusi elektroni ja aukko on nyt siirtynyt tämän paikalle. 8 4
CHEM-A1410, luento 4 Sähköiset ominaisuudet Metallissa elektronit kuljettavat varausta metallihilan läpi (electronic conductivity). Elektrolyytissä ionit kuljettavat sähkövarauksia sulan elektrolyytin tai elektrolyyttiliuoksen läpi (ionic conductivity). Metallisessa johteessa tai puolijohteessa aukot ja elektronit liikkuvat helposti mutta ionit huonosti. Ionijohteessa (elektrolyytissä) ionit liikkuvat helposti mutta elektronit ja aukot huonosti. Eristeessä sekä kiinteän tilan varauksenkuljettajat (elektronit ja aukot) että ionit liikkuvat huonosti. 9 Sähköiset ominaisuudet 15 Sähkönjohde, kiinteä metalli Eriste, oksidi log(ionivastus), Wcm 10 5 0 Sula metalli Ionijohde, elektrolyytti -5 0 5 10 15 log(ominaisvastus), Wcm 10 5
CHEM-A1410, luento 4 Sähköiset ominaisuudet Lähde: Callister & Rethwisch, Materials Science and Engineering, An Introduction. 8th ed. 11 Sähköiset ominaisuudet Metalleilla johtokyky huononee kun lämpötila kasvaa hilavirheiden ja epäpuhtauksien määrä kasvaa muokkausaste kasvaa Puolijohteille johtokyky paranee kun lämpötila kasvaa sopivien epäpuhtauksien määrä kasvaa 12 6
CHEM-A1410, luento 4 Lämpöominaisuudet Lämpöominaisuuksilla tarkoitetaan yleisesti sitä, kuinka materiaali vastaa kun siihen tuodaan tai siitä poistetaan lämpöenergiaa. Kun materiaaliin tuodaan lämpöenergiaa, sen lämpötila nousee ja sen mitat kasvavat. Materiaalin kykyä varastoida lämpöenergiaa kuvaa ominaislämpökapasiteetti: c = dq/dt J/(mol K) Tai c kuvaa sitä energiaa dq joka tarvitaan lämpötilan muutokseen dt. 13 Lämpöominaisuudet Lämmönjohtokyky Metallin hilassa elektronit saadaan värähtelemään lämpöenergian avulla ja värähtely siirtyy eteenpäin elektronien kautta. Keraamin ionihilassa elektronit on sidottu ionisidoksiin. Lämpöenergia voi saada atomit värähtelemään, mutta koska atomit ovat paljon suurempia kuin elektronit, niiden liikuttaminen on hitaampaa. 14 7
CHEM-A1410, luento 4 Lämpöominaisuudet Lämmönjohtokyky Callister&Rethwisch, 8. p. 15 Lämpöominaisuudet Lämpöenergia vaikuttaa kappaleiden kokoon ja muotoon. Lämpölaajeneminen on suhteellinen muutos lämpötilan kasvaessa: = Lämpölaajeneminen johtuu siitä, että kappaleeseen tuotu energia kasvattaa atomien välistä etäisyyttä. 16 8
CHEM-A1410, luento 4 Lämpöominaisuudet Lämpölaajenemiskerroin on suurempi jos sidosenergian ja atomien välisen etäisyyden kuvaaja on epäsymmetrinen. Callister&Rethwisch, 8. p. 17 Lämpöominaisuudet Mitä lujempi on atomien välisten sidosten lujuus, sitä pienempi on lämpölaajeneminen. Metallit a = 5 25 10-6 1/ºC Keraamit a = 0.5 15 10-6 1/ºC Polymeerit a = 50 400 10-6 1/ºC 18 9
CHEM-A1410, luento 4 Lämpöominaisuudet Lämpöjännitykset johtuvat lämpölaajenemisesta kun kappaleen kykyä muuttaa muotoa on rajoitettu. Lämpöjännitys riippuu kimmokertoimesta ja lämpölaajenemisen suuruudesta = Hooken laki = = Nopea lämmitys tai jäähdytys voi saada aikaan erimerkkisen jännityksen kappaleen pintaan ja sisälle. Sitkeä materiaali kykenee tässä tapauksessa muokkautumaan, hauras saattaa hajota. 19 Lämpöominaisuudet Nopea lämmitys tai jäähdytys voi saada aikaan erimerkkisen jännityksen kappaleen pintaan ja sisälle. Nopea kuumennus puristus pintaan ja veto sisälle Nopea jäähdytys veto pintaan ja puristus sisälle. Keittiömateriaalitiedettä: Kumpi on pahempi tilanne, laittaa kylmä uunivuoka kuumaan uuniin vai kuuma vuoka uunista kylmälle alustalle. 20 10
CHEM-A1410, luento 4 Magneettiset ominaisuudet Magneetti on kappale, joka luo ympärilleen magneettikentän. Tavallisia magneettisia materiaaleja ovat rauta, useat teräslajit, magnetiitti (Fe 3 O 4 ). Kaikilla materiaaleilla on jonkin asteinen taipumus reagoida magneettikenttään. Magneetin voimakkuutta kuvaa magneettinen momentti. Magneetin napavoimakkuus on magneettinen momentti jaettuna napojen välisellä etäisyydellä. 21 Magneettiset ominaisuudet Makroskooppiset magneettiset ominaisuudet johtuvat ulkoisen magneettikentän ja materiaalin magneettisten dipolien vuorovaikutuksesta. Diamagnetismi on kaikilla materiaaleilla esiintyvä heikko ilmiö, joka häviää kun ulkoinen kenttä poistuu. Paramagnetismi on joillakin materiaaleilla esiintyvä diamagnetismia voimakkaampi ilmiö, joka on samalla tavoin ohimenevä. Ferromagnetismi on joillakin materiaaleilla esiintyvä pysyvä ilmiö. Ferrimagnetismi, ferromagneettinen matalassa lämpötilassa mutta paramagneettinen korkeassa. 22 11
CHEM-A1410, luento 4 Magneettiset ominaisuudet Magneettisten ominaisuuksien sovelluksia: Kompassi Sähkömoottorit ja generaattorit Muuntajat Magneettinen tiedon tallennus Mikrofonit, kaiuttimet, kuulokkeet Monet sovelluksista perustuvat muuttuvaan sähkökenttään magneettikentässä (sähköinen induktio). 23 Optiset ominaisuudet Optiset ominaisuudet kuvaavat materiaalin vastetta sähkömagneettiselle säteilylle, erityisesti näkyvän valon aallonpituusalueella. Kun säteilyä osuu materiaaliin tietyllä intensiteetillä I (W/m 2 ) osa säteilystä heijastuu, osa absorboituu ja osa läpäisee. Heijastuneen, absorboituneen ja läpäisseen osan intensiteettien summa vastaa alkuperäistä säteilyä. 24 12
CHEM-A1410, luento 4 Optiset ominaisuudet Optiset ominaisuudet kuvaavat materiaalin vastetta sähkömagneettiselle säteilylle, erityisesti näkyvän valon aallonpituusalueella. Kun säteilyä osuu materiaaliin tietyllä intensiteetillä I (W/m 2 ) osa säteilystä heijastuu, osa absorboituu ja osa läpäisee. Heijastuneen, absorboituneen ja läpäisseen osan intensiteettien summa vastaa alkuperäistä säteilyä. 25 Optiset ominaisuudet Säteily reagoi kiinteän materiaalin atomien, ionien tai elektronien kanssa. Osa sähkömagneettisesta säteilystä on nopeasti muuttuva sähkökenttä, joka reagoi atomien elektronipilven kanssa. Tämä polarisaatioilmiö johtaa säteilyn energian absorptioon sekä säteilyn hidastumiseen. Säteily voi virittää materiaalin elektronit korkeammalle energiatasolle, jossa ne eivät ole pysyvässä tilassa vaan palaavat (mahdollisesti eri reittejä) matalammalle tasolle vapauttaen energiaa säteilynä. 26 13
CHEM-A1410, luento 4 Optiset ominaisuudet Optisten ominaisuuksien sovelluksia: Valon taittaminen (linssit) Valon läpäisy tai sen estäminen (säilytysastiat) Valon tuottaminen (hehkulamput, LEDit) Valon heijastaminen (peilit, aurinkovoimalat) Läpäisy ja heijastaminen (valokuitu) 27 Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet Kuluminen Hiova Iskevä Hitsautuminen Pinnan väsyminen Kitkakuluminen Eroosio Materiaalia irtoaa pinnasta mekaanisesti, mahdollisesti kemiallisten reaktioiden avustamana. 28 14
CHEM-A1410, luento 4 Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet Väsyminen, materiaalin ominaisuudet heikkenevät pitkäaikaisen toistuvan kuormituksen takia. Mikroskooppisia vaurioita voi muodostua alle myötörajan jännitystasolla. Vauriot alkavat raerajoilta ja rakenteen virheistä. Väsymiseen vaikuttavat keskimääräinen jännitys sekä jännitysamplitudi eli suurimman ja pienimmän jännityksen ero jaettuna kahdella. Jos jännitys kasvaa niin amplitudien pitää pienentyä. Ydintymisvaihe, ei näkyviä muutoksia särönkasvuvaihe, särö voidaan havaita murtuma, säröt ovat pienentäneet kuormaa kantavan pinnan liian pieneksi. 29 Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet Korroosio fysikaalis-kemiallinen reaktio metallin ja sen ympäristön kanssa, mikä aiheuttaa muutoksia metallin ominaisuuksiin ja mikä voi johtaa metallin, sen ympäristön tai teknisen järjestelmän, johon ne kuuluvat, toiminnan merkittävään heikentymiseen. Korroosiojärjestelmä järjestelmä, joka koostuu yhdestä tai useammasta metallista ja ympäristön osista, jotka vaikuttavat korroosioon. Ympäristön osana voi olla myös esimerkiksi pinnoite, pintakerros, ylimääräinen elektrodi. 30 15
CHEM-A1410, luento 4 Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet Korroosiovaikutus (effect) Minkä tahansa korroosiojärjestelmään kuuluvan osan muutos, joka on aiheutunut korroosiosta. Korroosiovahinko (damage) korroosiovaikutus, joka heikentää merkittävästi metallin, sen ympäristön tai teknisen järjestelmän, johon ne kuuluvat, toimintaa. Korroosiovaurio (failure) Korroosiovahinko, joka johtaa teknisen järjestelmän toimintakyvyn täydelliseen lakkaamiseen. 31 Uster 1985 Lähde: M. Faller, P. Richner, Materials and Corrosion 54, 331 338 (2003) 32 16
CHEM-A1410, luento 4 Uster 1985 9.5.1985 kello 20.25 Usterissa, Sveitsissä romahti betoninen uimahallin sisäkatto. 12 henkilöä menehtyi. Ruostumattomasta teräksestä EN 1.4301 (X5CrNi18-10) valmistetuista 207 ripustustangosta 94 murtui hauraasti ja 14 sitkeästi. Ripustustangot murtuivat kloridien aiheuttaman jännityskorroosion takia. Klorideja kertyi sisäkattoon ilmanvaihdon mukana, lämpötila oli korkea ja desinfiointi toi hapettavia kemikaaleja. 33 Aloha Airlines 1988 Lähde: Pierre R. Roberge, Corrosion Engineering Principles and Practice, 2008 34 17
CHEM-A1410, luento 4 Aloha Airlines 1988 Aloha Airlinesin lento AAH 243 lähti Hilosta Honoluluun 28.4.1988. Lentokone oli 19 vuotta vanha Boeing 737. 7300 m korkeudessa tapahtui ensin pieni murtuma matkustamon katossa ja sen jälkeen rungon yläosa irtosi noin 5 m matkalta. Niittiliitoksissa oli tapahtunut rakokorroosiota, korroosiotuotteet olivat kuormittaneet liitoksia ja paineenvaihtelut olivat saaneet aikaan väsymismurtumia. 35 Guadalajara 1992 Lähde: Pierre R. Roberge, Corrosion Engineering Principles and Practice, 2008 36 18
CHEM-A1410, luento 4 Guadalajara 1992 22.4.1992 Guadalajarassa, Meksikossa tapahtui viemäriräjähdys. 215 kuollutta, 1500 loukkaantunutta, 1600 rakennusta vaurioitui. Kuumasinkitty vesijohtoputki ja teräksestä valmistettu bensiiniputki olivat kiinni toisissaan Molemmat linjat syöpyivät puhki ja bensiiniä valui viemäriin. Ainakin 9 räjähdystä 4 tunnin aikana 8 km matkalla. 37 Korroosiokenno Metallit ovat epähomogeenisia materiaaleja epähomogeenisessa ympäristössä, ja niiden pinnalle muodostuu aina luonnostaan korroosiopareja. Jotkin osat rakenteen pinnasta muodostuvat katodisiksi, jolloin niiden pinnalla tapahtuu pelkistysreaktio ja toiset osat muodostuvat anodisiksi, jotka syöpyvät. Metallin pinnalla tapahtuvat katodiset reaktiot käynnistävät jossakin toisissa kohdissa rakenteen pintaa anodisia liukenemisreaktioita. 38 19
CHEM-A1410, luento 4 Korroosiokenno Johde Elektronit siirtyvät anodilta katodille e - Anodi - Hapetusreaktio - Hapettuneiden aineiden siirtyminen liuokseen H 2 Katodi - Hapettimen siirtyminen liuoksesta elektrodin pinnalle - Pelkistysreaktio - Pelkistyneiden aineiden siirtyminen pinnalta liuokseen H + Me 2+ Liuos, jossa on hapetinta (O 2, H + tms.) 39 O 2 O 2 O 2 O 2 Anodi Katodi Hapetin adsorboituu liuoksesta Fe Fe Anodi Fe = Fe 2+ + 2 e - O 2 4 e - Katodi O 2 + H 2 O + 4e - = 4 OH- Varauksensiirtoreaktio, elektronit siirtyvät anodialueelta katodille. OH OH OH - - - Fe Fe OH - Anodi Katodi Reaktiotuotteet reagoivat keskenään muodostaen yhdisteen 40 20
CHEM-A1410, luento 4 The eight forms of corrosion General corrosion, uniform corrosion galvanic corrosion bimetallic corrosion pitting corrosion crevice corrosion selective corrosion intergranular corrosion erosion corrosion Yleinen korroosio, tasainen korroosio galvaaninen korroosio, bimetallikorroosio pistekorroosio rakokorroosio valikoiva korroosio raerajakorroosio eroosiokorroosio stress corrosion (cracking) jännityskorroosio(murtuma) 41 Korroosionkestävyys 42 21
CHEM-A1410, luento 4 Korroosionkestävyys 43 Korroosionkestävyys Korroosionopeus, syöpymisnopeus korroosiovaikutus metallin pinnalla aikayksikössä. Korroosion todennäköisyys kvalitatiivinen tai kvantitatiivinen esitys odotettavissa olevasta korroosiovaikutuksesta tietyssä korroosiojärjestelmässä. Korroosionkestävyys metallin kyky säilyttää toimintakykynsä tietyssä korroosiojärjestelmässä. 44 22
CHEM-A1410, luento 4 Korroosio ja vaurio Korroosiovaurio tai vika tarkoittavat tilannetta, jossa laite tai rakenne ei enää kykene suorittamaan sille suunniteltua tehtävää. Laitteessa tai rakenteessa voi olla korroosion aikaansaamia vahinkoja tai sen toimintakyky olla huonontunut, mutta jos se toimii niin vauriota ei ole vielä tapahtunut. 45 Korroosio ja vaurio Laite tai rakenne on korroosionkestävä, jos se kykenee suorittamaan suunnitellun toiminnon suunnitellun käyttöiän mahdollisesta korroosion aiheuttamasta toiminnon heikentymisestä huolimatta. 46 23
CHEM-A1410, luento 4 Korroosio ja vaurio Korroosio voi saada yksinään aikaan vaurion, jossa osan tai rakenteen haluttu toiminto ei enää ole mahdollinen. 47 Korroosio ja vaurio Korroosio voi saada aikaan niin suuren vahingon, että osan tai rakenteen heikentyessä muut tekijät saavat aikaan vian tai vaurion. 48 24
CHEM-A1410, luento 4 Korroosio ja materiaalin valinta Materiaalinvalinta tehdään tavallisesti seuraavista ryhmistä: 1. Hiiliteräkset eli rakenneteräkset 2. Ruostumattomat teräkset 3. Alumiini ja sen seokset 4. Kupari ja sen seokset 5. Nikkeli ja sen seokset 6. Lyijy, sinkki ja tina 7. Titaani, tantaali, niobi ja zirkoni 8. Jalometallit, eli kulta, platina, hopea 49 Yhteenveto Materiaalin koostumus, rakenne ja ominaisuudet on tiedettävä, jotta tiedettäisiin miten sitä voidaan käyttää ja miten se voidaan valmistaa. Materiaalitieteissä kaikki vaikuttaa kaikkeen. 50 25