CHEM-A1410, luento 2 CHEM-A1410 Tulevaisuuden materiaalit, 2. luento, ominaisuuksista Jari Aromaa, Kemian tekniikan ja metallurgian laitos 2. luento, sisällys Mitä tarkoitetaan materiaalin ominaisuuksilla Ominaisuuksien kompromissi Tyypilliset fysikaaliset ja tekniset ominaisuudet. Ominaisuuksien määrittämisestä. 2 1
CHEM-A1410, luento 2 Ominaisuudet Ominaisuudet seuraavat materiaalin koostumuksesta, rakenteesta ja valmistusmenetelmistä, joilla niitä on muokattu. 3 Ominaisuudet Kiinteän materiaalin ominaisuudet ovat: Sähköiset ominaisuudet Lämpöominaisuudet Magneettiset ominaisuudet Optiset ominaisuudet Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet 4 2
CHEM-A1410, luento 2 Ominaisuudet Materiaalin valinta käyttökohteeseen edellyttää, että sen ominaisuudet tiedetään. Materiaalilla on koostumus ja rakenne, jotka antavat materiaalille sen ominaisuudet. Materiaalin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa valmistustekniikoilla, jotka määräävät koostumuksen ja rakenteen. 5 Materiaalin valinta Käyttöolosuhteiden vaatimukset Vaaditut ominaisuudet tuotantomäärä MATERIAALI- VAIHTO- EHDOT VALINTA Vaaditut toiminnot muoto, koko MATERIAALI JA VALMISTUS- MENETELMÄ Valmistusmenetelmä pinnanlaatu, toleranssit 6 3
CHEM-A1410, luento 2 Materiaalin valinta Luotetavuus Laatu Kokonaiskustannukset Saatavuus Toiminnot Ympäristö Valmistustapa Kustannukset VAATIMUS- PROFIILI OMINAISUUS- PROFIILI Kestävyys käyttöympäristössä Valmistettavuus Hinta Ympäristövaikutukset Kierrätys Hävittäminen Lait ja asetukset Tuotevastuu Vauriot 7 Materiaalin valinta 1. Alkukartoitus, mitkä ovat materiaalin toiminnalliset vaatimukset, valmistustekniset vaatimukset, kustannukset, luotettavuus ja kestävyys käyttöympäristössä. Tiukkojen sääntöjen käyttö rajaamiseen, esimerkiksi metalli ei sovi sähköiseksi eristeeksi. Arvioidaan millaisia ominaisuuksien suuruuksia tarvitaan. 2. Alkukartoituksella saadaan materiaalivaihtoehtoja, näistä poistetaan ne, joiden ominaisuusprofiili ei vastaa vaatimuksia. 3. Vertaillaan vaihtoehtoja, eli tarkastellaan ominaisuusprofiilin lukuarvoja (painotettuina). 4. Haetaan lisätietoa materiaalien soveltuvuudesta. 5. Tehdään päätös 8 4
CHEM-A1410, luento 2 Materiaalin valinta Pieni ryhmäpohdiskelu, mitä ominaisuuksia tarvitaan seuraavissa kohteissa: 1. Polkupyörän runko 2. Sähkövoimalinjan johtimet 3. Silmälasien linssit 4. Ydinjätteen loppusijoituskapseli 9 Materiaalin valinta Lähde: Public domain Lähde: Wikipedia, Electric power transmission Lähde: Public domain Lähde: Public domain 10 5
CHEM-A1410, luento 2 kuvaavat materiaalin vastetta ulkoiseen kuormitukseen. Kuormitus voi olla vetoa, puristusta, taivutusta, iskumaista jne. Kuormituksen voimakkuus ja kuormituksen nopeus vaikuttavat vasteeseen. 11 Paljonko materiaali kestää kuormitusta: Veto (tension) Puristus (compression) Leikkaus (shear) Taivutus (bending) Sitkeys (toughness) Kovuus (hardness) Nopean kuormituksen testit (high strain rate) Kuinka materiaali heikkenee käytössä: Viruminen (creep) Väsyminen (fatigue) Särönkasvu (crack growth) Jännityskorroosio (stress corrosion) Vetyhauraus (hydrogen embrittlement) 12 6
CHEM-A1410, luento 2 Materiaalin käyttäytymistä kuormituksen alla kuvaavat erilaiset elastiset kertoimet (elastic modulus). Elastinen kerroin on yleisesti jännitys/muodonmuutos. Kuormitettaessa elastinen alue tarkoittaa sitä, että kuormitus poistettaessa materiaali palaa alkuperäiseen muotoonsa. Jos kuormitus on ollut liian suuri seuraa plastinen muodonmuutos, eikä kuormitus poistettaessa materiaali enää palaakaan takaisin alkuperäiseen muotoonsa. Kuormituksen edelleen kasvaessa jossakin vaiheessa materiaali murtuu. 13 Hooken laki: Venymä on suoraan verrannollinen venyttävään jännitykseen = = Jännitys = kimmokerroin muodonmuutos Veto- tai puristuskuormitukselle kimmokerroin, Young s modulus Hooken laki pätee elastisella alueella. Jännityksen ollessa suurempi kuin myötöraja (yield strength) siirrytään elastiselta plastiselle alueelle. 14 7
CHEM-A1410, luento 2 Plastisella alueella suurin kuormitus on usein suurempi kuin elastisen alueen päättävä myötölujuus. Suurin kuormitus esimerkiksi vetojännityksessä on murtolujuus (ultimate tensile strength, UTS). Plastisella alueella muodonmuutokset ovat usein suuria. Materiaalin kykyä muuttaa muotoaan kuormitettaessa ilman murtumista kutsutaan sitkeydeksi (toughness). 15 Kuinka materiaali murtuu, sitkeä vai hauras? Callister&Rethwisch, 8. p. 16 8
CHEM-A1410, luento 2 Eri materiaaliryhmillä on erilaiset tavat käyttäytyä eri kuormitustavoilla. Metallit käyttäytyvät yleensä sitkeästi kaikilla kuormitustavoilla. Metalli voi murtua hauraasti liian kylmässä, jos rakenne on virheellinen tai jos ympäristö pääsee vaurioittamaan rakennetta, kappale on suuri ja kuormitus nopeaa. Voimakas muokkaus, esim. valssaus levyksi, voi saada aikaan, että ominaisuudet eivät ole samoja kaikkiin kolmeen suuntaan. Materiaalin rakenne on suuntautunut ja sillä sanotaan olevan tekstuuria. 17 Keraamien mekaaninen kestävyys riippuu hilarakenteen virheistä, joita ovat vakanssit ja epäpuhtaudet, sekä huokoisuudesta. Keraamit kestävät yleensä puristusta mutta eivät kestä vetoa. Keraameilla hyvä kovuus, puristuslujuus, huono vetolujuus, huono taivutuslujuus. Keraameilla on huono sitkeys, vetolujuutta ei voida testata vetokokeella vaan se tehdään taivuttamalla. 18 9
CHEM-A1410, luento 2 Polymeerien ominaisuudet riippuvat voimakkaasti lämpötilasta. Kiteisellä polymeerillä lasimuutos ja sulaminen tapahtuvat kapealla lämpötila-alueella, amorfisilla ne tapahtuvat jatkuvana muutoksena. Kertamuovit murtuvat hauraasti, kestomuovit sitkeästi tai hauraasti. 19 Komposiitin rakenne koostuu metalli-, keraami- tai polymeerimatriisista, jota partikkelit tms. lujittavat. Metallimatriisikomponenttien kimmokerroin, lujuus ja virumiskestävyys paranevat, keraamimatriiseilla iskunkestävyys ja polymeerimatriiseilla lujuus. Ominaisuudet voivat olla suuntautuneita. Mittausmenetelmiä voivat rajoittaa samat tekijät kuin matriisimateriaalilla. 20 10
CHEM-A1410, luento 2 Callister&Rethwisch, 8. p. Kimmokerroin on suoraan verrannollinen sidosvoiman ja atomien välisen etäisyyden kulmakertoimeen. Kimmokerroin on metalleille, keraameille ja polymeereille suuruusluokkaa GPa. Kimmokertoimen kasvaessa mekaaniset ominaisuudet usein paranevat. 21 22 11
CHEM-A1410, luento 2 23 Vetokokeen tulokset: Jännitysvenymäkäyrä Kimmokerroin Myötölujuus Murtolujuus Kurouma Callister&Rethwisch, 8. p. 24 12
CHEM-A1410, luento 2 Leikkauskokeella voidaan mitata materiaalin kestoa mutta myös liitoksen kestävyyttä. Kuormituksessa on vetoa ja puristusta. ASM Handbook vol 8 25 Sitkeys, paljonko materiaali kykenee sitomaan energiaa ennen murtumistaan Iskusitkeys Charpy, Izod Mittaamalla eri lämpötiloissa saadaan transitiolämpötila, jonka alapuolella murtuma on hauras. Callister&Rethwisch 8. p. 26 13
CHEM-A1410, luento 2 Taivutuskoe tehdään taivuttamalla näyte kaksinkerroin pyöreän sauvan ympärille. Tulos on pienin sauvan säde, jossa näytteen ulkopinnalla ei näy säröjä, suhteessa levyn paksuuteen. Näyte voidaan myös taivuttaa puristimen leukojen välissä ja ilmoittaa suurin taivutuskulma, jossa säröjä ei näy. ASM Handbook vol 8 M. Kutz, Handbook of Materials Selection 27 Kovuusmittaus Callister&Rethwisch, 8. p. 28 14
CHEM-A1410, luento 2 Kovuusmittauksessa käytetään erilaisia kuormitustapoja. Ilmoitettaessa kovuutta on aina ilmoitettava mittausmenetelmä. Callister&Rethwisch, 8. p. 29 Viruminen Lämpötilan noustessa lujuus laskee. Testataan vakiokuormalla ja seurataan kuinka muodonmuutos etenee ajan kuluessa. Callister&Rethwisch 8. p. 30 15
CHEM-A1410, luento 2 Esim. teräs Esim. Al, messinki Väsymiskestävyys Syklinen kuormitus Murtuminen tapahtuu pienemmällä kuormalla kuin myötölujuus 90% mekaanisista materiaalivaurioista S-N tai Wöhlerkäyrä Callister&Rethwisch 8. p. 31 Muita ominaisuuksia Sähköiset: sähkön johtavuus, resistiivisyys, onko johde, puolijohde, eriste, suprajohde, kapasitanssi, lämpösähköiset ilmiöt. Termiset: lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti, lämpölaajeneminen Magneettiset: magneettisuus. permeabiliteetti, suskeptibiliteetti Optiset valon läpäisevyys, heijastus, sironta, taitekerroin, väri Tiheys 32 16
CHEM-A1410, luento 2 Sähköiset ominaisuudet Johtavuus vs. eristyskyky Metallin hilassa on vapaita valenssielektroneja kuljettamassa varausta. Keraamin ionihilassa elektronit on sidottu ionisidoksiin, ei vapaita varauksenkuljettajia. Sähkönjohtokykyä kuvaa myös vyöteoria, eli kuinka elektronien varaukset jakautuvat valenssija johtovöille ja kuinka varaukset voivat niillä liikkua. Vyöteoria kuvaa johteen, puolijohteen ja eristeen toiminnan. 33 Sähköiset ominaisuudet Resistiivisyys, ominaisvastus, ominaisresistanssi = m Resistiivisyys = sähkökentän voimakkuus / virrantiheys Sähkönjohtavuus, konduktanssi ( m)-1 tai S/m = 34 17
CHEM-A1410, luento 2 Sähköiset ominaisuudet Sähkönjohtavuuden mittaaminen ominaisvastus r = jännite V ala A virta I pituus l 35 Lämpöominaisuudet Lämmönjohtavuus, lämmönjohtokyky W/(K m) Siirtyvä lämpöteho pinta-alaa ja lämpötilagradienttia kohden. = / 36 18
CHEM-A1410, luento 2 Lämpöominaisuudet 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. Polymeereissä liikutetaan molekyylejä, vieläkin hitaampaa. 37 Lämpöominaisuudet Lämmönjohtokyky Callister&Rethwisch, 8. p. 38 19
CHEM-A1410, luento 2 Sähkö ja lämpö 39 Sidokset ja ominaisuudet 40 20
CHEM-A1410, luento 2 Sidokset ja ominaisuudet Grafiitti Timantti 3 sidosta 4 sidosta Heksagonaalisia kerroksia, joita sitoo heikko van der Waals T m ~ 3500 K Johde koska vapaita elektroneja Pehmeä, kerrokset liikkuvat Tetraedrinen T m ~ 4000 K Eriste koska kaikki elektronit sidoksissa Kova, jäykkä rakenne 41 Sidokset ja ominaisuudet Callister&Rethwisch, 8. p. Sulamispiste on suoraan verrannollinen sidosenergiaan. Sulamisessa atomit saavat lämmöstä lisää energiaa, alkavat värähdellä voimakkaammin ja pääsevät irti toisistaan. 42 21
CHEM-A1410, luento 2 Rakenne ja ominaisuudet 43 Rakenne ja ominaisuudet Metalli Keraami Polymeeri 44 22
CHEM-A1410, luento 2 Rakenne ja ominaisuudet Kiinteä aine koostuu alkuaineista tai yhdisteistä tai molemmista. Kiinteällä aineella on joko hilarakenne tai se on amorfinen. Hilarakenteesta muodostuu rakeita ja raerajoja. Rakenteessa on aina rakennevirheitä. Kiinteän aineen rakenteen muodostavat erilaiset faasit, eli toisistaan erotettavissa olevat tasalaatuiset osat. Faasi voi olla alkuaine, metallien kiinteä liuos, yhdiste, polymeeriketju tms. 45 Valmistus ja ominaisuudet 46 23
CHEM-A1410, luento 2 Valmistus ja ominaisuudet Materiaalien valmistus tapahtuu joko korkeissa lämpötiloissa sulassa, liuosmenetelmillä yleensä alle 100 ºC, mekaanisilla menetelmillä, polymeerit lämpötilan, paineen tai katalyyttien avulla. Korkeissa lämpötiloissa saadaan aikaan kemiallisia reaktioita, aineen sulaminen, sintraus, valu haluttuun muotoon. Liuoksissa saadaan aikaan kemiallisia tai sähkökemiallisia reaktioita. Monomeerit saadaan yhdistymään polymeereiksi eri keinoja käyttämällä. 47 Valmistus ja ominaisuudet Raaka-aineet Energia Apuaineet Esikäsittely valmistusprosessia varten, jauhatus, puhdistus, kuivaus jne. Energia Poisteet, jätteet Energia Apuaineet Materiaalin synteesiprosessi Energia Poisteet, jätteet Materiaali Energia Apuaineet Ominaisuuksien muuttaminen Materiaali Energia Poisteet, jätteet Energia Apuaineet Valmistusprosessi Energia Poisteet, jätteet Tuote 48 24
CHEM-A1410, luento 2 Valmistus ja ominaisuudet Materiaalitiede on kemiaa ja fysiikkaa. Materiaalien valmistusprosesseissa tapahtuu pääasiassa kemiallisiin reaktioihin vaikuttavia ilmiöitä. Prosesseissa hallitaan tasapainoja ja reaktionopeuksia halutun tuotteen saamiseksi. Materiaalien ominaisuuksien muutosprosesseissa tapahtuu pääasiassa fysikaalisiin muutoksiin vaikuttavia ilmiöitä. Prosesseissa hallitaan tasapainoja ja muutosnopeuksia halutun tuotteen saamiseksi. 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