Kaj je struktura?

TEHNOLOGIJA GRADIV IN KERAMIKE

NAMEN TEČAJA : Spoznati zvezo med strukturo in lastnostmi izbranih materialov

Kaj je struktura?

200 nm 5 nm

1 µm = 0.001 mm; 1 nm = 0.001 µm

LASTNOSTI MATERIALOV

LASTNOSTI MATERIALOV:

specifična teža, modul in dušenje meja plastičnosti Prožnost

Trdota

zlomna trdnost

odpornost proti mehanski in termični utrujenosti odpor proti lezenju

ostale termične, optične, magnetne in električne lastnosti oksidacija in korozija, trenje, abrazija in obraba

KRITERIJI ZA OCENO USTREZNOSTI MATERIALA

Funkcionalnost Kompatibilnost Zanesljivost Trajnost

Sposobnost oblikovanja Dosegljivost

Gospodarnost

RAZNOLIKOST MATERIALOV

Kovine Polimeri Keramika Kompoziti

KRITERIJI ZA OCENO MATERIALA

OSNOVNE SKUPINE MATERIALOV

KOVINE IN ZLITINE

Fe in jekla Al in zlitine Cu in zlitine Ni in zlitine Ti in zlitine ostalo

POLIMERI

Polietilen (PE)

polimetilmetakrilat (PMMA),

"PLEKSI"

najlon

fenolformaldehid (FF) polistiren (PS)

poliuretan (PU)

polivinilklorid (PVC)

akrilonitril- butadien-stiren (ABS)

A7 Slika

Avtor; 22.10.2001

OSNOVNE SKUPINE MATERIALOV

KERAMIKA, STEKLO IN ANORGANSKA VEZIVA

Korund (Al₂O₃)

Porcelan (alumosilikat) Karborund (SiC)

Silicijev nitrid (Si₃N₄) Perovskiti (BaTiO₃, PZT) Cement in beton

Steklo

KOMPOZITI

Les

Fiberglas

Polimeri/ C vlakna (CFRP) Polimeri s polnili

Cermeti (WIDIA)

A9 slika

Avtor; 22.10.2001

CENA MATERIALOV ( Januar 1980 )

1430 naravna guma

1500 steklo

1500 KORUND

2400 DURAL

2300 Cu

3100 nerjavna jekla

3200 NAJLON

4000 hitrorezno jeklo

5300 PMMA

7300 Ni

10 000 POLIIMIDI (KEVLAR)

12 000 Ti-zlitine

66 000 WIDIA

200 000 CFRP

330 000 B-epoksi kompozit

1 140 000 Ag

19 100 000 Au

26 000 000 Pt

900 000 000 diamant, industrijski

$/tona MATERIAL

VIR : Ashby / Jones 14

NARAŠČANJE PROIZVODNJE

Naraščanje proizvodnje [% / leto] ( podatki za leta 1960 – 1970 )

Jeklo 3,4%

Aluminij 8 %

Polimeri 18 %

V kolikšnem času se proizvodnja materialov podvoji ?

, ta enačba se po integriranju glasi :

REZULTATI : Jeklo cca 20 let Aluminij cca 9 let Polimeri cca 4 leta

r K dt

dK = ⋅ 100

r t

K e

K = ^100⋅ 2

KONKURENCA MED MATERIALI

KONKURENCA MED MATERIALI V MASI

OSEBNEGA AVTOMOBILA Ostalo do 100 % :

Keramika

Barvne kovine Kompoziti

Vir : Smith 12

30 % 10-20 %

10-20 % polimeri

15 % 5-10 %

3-5 % Al

40 % 55-50 %

60 % Jeklo / Fe

1.1 T 1.4 T

1.8 T

∑ masa

1990 1985

1978

RAZVOJ VEDE O MATERIALIH

ZVEZA MED STRUKTURO IN LASTNOSTMI

BLAGOZNANSTVO VEDA O MATERIALIH

Izkušnja Razumevanje

+Priročnik +Priročnik

(inženirsko znanje) (znanje, ki lahko vodi do izumov novih materialov)

PRISTOP K KURSU :

Interdisciplinarno znanje (kemija, fizika, inženirsko znanje etc.))

Zveza med strukturo in lastnostmi

MEHANSKE LASTNOSTI

VPRAŠANJE :

Kupola vesoljske ladje je bila skonstruirana za enkratni pristanek na luni in povratek na zemljo. Ladja je pristala na štirih stopalih,

pritrjenih na dolgih palicah. Pristanek na zemlji je predviden s padalom.

Kakšen naj bo material palic?

1. Tog 2. Žilav 3. Trd 4. Mehek 5. Raztegljiv 6. Krhek

Žilav, ker bo kupola pristala z

udarcem.Palice morajo absorbirati energijo udarca brez zloma. Lahko pa

dovolimo delno plastično deformacijo, ker kupola ne bo potrebovala palic za novo pristajanje.

( na zemljo pristane s padalom )

ATOMSKE VEZI

PRIMARNE VEZI (povezujejo posamezne atome)

Ionska

Kovalentna Kovinska

SEKUNDARNE VEZI (povezujejo večje enote: molekule, majhne kristale itd.)

Vodikova vez

Van der Waalsove vezi

100 – 250kcal/mol

≈10kcal/mol 2-4 kcal/mol

IONSKA VEZ

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

- - - - - - - -

-

- -

- -

- -

- -

-

- -

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

- -

=

+

-

Na Cl Na+ Cl-

(elektrostatski privlak med ionoma)

(atom) (atom)

SILE MED IONI V KRISTALU (analogija z vzmetmi) Ko so vzmeti v

(niso niti raztegnjene niti stisnjene), je med kroglicami razdalja ao.

Če želimo spremeniti ao, moramo dodati energijo. Energija ravnotežnega stanja je torej najmanjša.

ravnotežnem stanju

ao

Energija ravnotežnega stanja = energija sistema

IONSKA VEZ

Sile med ioni:

a) privlačne - zaradi elektrostatskega privlaka med + in -.

b) odbojne - zaradi Paulijevega izključitvenega principa

+U

-U U₀ a

a_o odboj

privlak privlak + odboj

Pri ravnotežni razdalji ao je torej energija minimalna (U0).

To je energija kristalne rešetke. 0

Energijo dobimo tako, da pomnožimo silo in razdaljo med atomi.

Graf energije (U) v odvisnosti od razdalje med atomi (a):

IONSKA VEZ

Čim večja je energija kristalne rešetke (energija minimuma), tem večja je ao (razdalja med ioni).

Vez je tem močnejša, čim nižja je energija rešetke (čim "globlji" je minimum gornje krivulje).

Močnejša vez pomeni, da - ima kristal višje tališče, - je kristal trši,

- ima kristal manjši razteznostni koeficient.

LASTNOSTI KRIVULJE ENERGIJA - RAZDALJA

IONSKA VEZ (primeri: tališče Tm in energija Uo)

VIR: OHRING stran 59

2r

IONSKA VEZ - KOORDINACIJA

Na lastnosti ne vplivajo le vezi med posameznimi atomi, ampak tudi okolje ( zgradba snovi )

Število neposrednih sosedov : koordinacijsko število (KŠ) Pri ionski vezi je odvisno od razmerja radijev ( r / R )

Minimalne vrednosti r / R za različne koordinacije

1.0 12

0.723 8

0.414 6

0.225 4

0.155 3

Minimalni r/R KŠ

- -

+

- -

+

2R

IONSKA VEZ - KOORDINACIJA

Dve možni idealizirani strukturi z različnim ramerjem radijev kationov in anionov :

+ +

+

+

+ +

+

+ +

+

+ +

+ +

+ + + +

- - -

-

- - - -

- - -

- -

Primer: Izračun idealnega razmerja radijev za koordinacijo 6 (oktaedrska):

a

R: radij velikih krogel r: radij male krogle

a: dolžina stranice kvadrata d: dolžina diagonale kvadrata

a = 2R d = a 2 = 2r + 2R

2R 2 = 2r + 2R 2R( 2 - 1) = 2r r = 2 - 1 = 0.414 R

2R

2r

KOVALENTNA VEZ

Tipično med nekovinskimi atomi H, N, O, C, F ...

Delno kovalentna vez Si, Ge, As, Se

H H H2

- -

-

-

nova orbitala

(elektronska konfiguracija helija)

Kovalentna vez je usmerjena. To pomeni, da deluje med omejenim številom delcev, izven njih pa ne. V gornjem primeru kovalentna vez deluje med dvema vodikovima atomoma, ne pa v njuni okolici.

Zato so sile znotraj molekul (znotraj H ) močne, med molekulami (med različnimi H ) pa kovalentnih sil sploh ni.

2 2

KOVALENTNA VEZ

Lastnosti kovalentne vezi (usmerjena):

- močna znotraj molekul, ne deluje zunaj posamezne molekule

- nizko tališče, plinasto stanje (molekule niso med sabo povezane) - ne prevaja električnega toka (elektroni ne morejo preskakovati od molekule do molekule)

- če so vsi atomi med seboj povezani s kovalentno vezjo (diamant), je snov zelo trda

Zakaj se plini utekočinijo?

Elektrona znotraj molekule se lahko zadržujeta na eni strani molekule več časa kot na drugi. Tam pride do rahlo negativnega naboja, na drugi strani pa pozitivnega naboja. Nastanejo dipoli. Dipoli so pri nižji

temperaturi bolj izraženi kot pri višji. Pri dovolj nizki T se dipoli med sabo tako privlačijo, da se plin utekočini.

KOVINSKA VEZ

V kovinah so atomi gosto zloženi eden poleg drugega. Atomi so tako blizu skupaj, da bi lahko prišlo do kršenja Paulijevega izključitvenega principa. Ker se to ne sme zgoditi, se za zunanje elektrone ustvarijo nova kvantna stanja. Ta kvantna stanja pripadajo vsem atomom v kovini, vanja pa se razvrstijo vsi elektroni, ki so na zadnji obli atomov. Vsi zunanji elek- troni tako pripadajo vsem atomom in s tem se ustvari močna vez med atomi.

Analogija: v gumijast balon damo kovinske kroglice in ga zvežemo.

Kovinske kroglice se razvrstijo na nabolj gost način, povezuje pa jih balon, ki ima podobno vlogo kot zunanji elektroni kovinskih atomov.

Lastnosti kovinske vezi oziroma kovin:

- je močna vez;

- kovine dobro prevajajo električni tok (na voljo so vsi elektroni z zunanjih obel);

- kovine so kovne (plasti atomov lahko premikamo med seboj - to ne vpliva na elektrone v vezi).

SEKUNDARNE VEZI - primer: vodikova vez

H

H

O

H

H

O

H

H

δ⁺ O

δ⁺

δ^- δ^-

δ^-

δ⁺

δ⁺

δ⁺ δ⁺

Vodikova vez

Vodik

ova vez

POMEN :

Vrelišče H₂O 100°C Toplotna obstojnost

MEHANSKE LASTNOSTI - NATEZNOSTNI POSKUS

Tipičen potek grafa ε/σ za polikristaliničen

preizkušanec

RAZLAGA NATEZNOSTN. POSKUSA

KVALITATIVNA RAZLAGA NEKATERIH TOČK NA DIAGRAMU σ - ε

pod vplivom sile se

atomi nekoliko premaknejo z ravnotežnih mest;

če sila popusti, se atomi vrnejo v ravnotežni položaj

ravnotežje

F1

F1

F1

F1

Elastična deformacija:

Plastična deformacija:

Plastična deformacija:

ko sila po plastični deformaciji popusti, atomi zdrknejo v v najbližji minimum; atomi zavzamejo nove ravnotežne položaje.

pod vplivom sile atomske plasti povsem spremenijo medsebojni položaj;

Točka 0:

Točka A:

Točka P1:

Točka P2:

novo ravnotežje

ELASTIČNE LASTNOSTI

Atomistična razlaga elastične deformacije:

U

F

r

r

Silo izračunamo z odvajanjem: F = dU dr

0 linearno območje (približek):

razdalja in sila sta premosorazmerni

(medatomska razdalja)

(medatomska razdalja) a0

(ravnotežna medatomska razdalja)

σ = Eε

1. Velja Hookov zakon:

E = elastični (ali Youngov) modul

2. Če odstranimo natezno silo, preizku- šanec spet zavzame začetno dolžino . 3. Elastična deformacija je trenutna - raztezek v trenutku sledi sili.

l

RAZLAGA PLASTIČNE DEFORMACIJE

drsna ravnina

1 2 3 4 1

1 1

2

2 2

3

3 3

4

4 4

A) B)

C ) D)

A B

Plastično deformacijo

razložimo s premikanjem dislokacij v materialu pod mehansko obremenitvijo

Dislokacija –

ena najpogostejših napak v materialu

MATERIALI Z RAZLIČNIMI MEH. LASTNOSTMI

MEHANSKE LASTNOSTI - TRDOTA

TDROTA – Odpornost materiala proti vdiranju drugega trdega telesa Glede na obliko telesa, ki ga vtiskamo ločimo trdoto po :

BRINELLU (HB) ( merimo premer odtisa )

VICKERSU (HV) ( diamantna 4 – strana piramida ) ROCKWELLU (HR) ( diamantni stožec ali kroglica )

Pri večini kovin je natezna trdnost približno proporcionalna trdoti σ = K^.(HB). P v vseh primerih predstavlja silo.

(

)

D HB P

−

−

⋅

⋅

= ⋅ π

D

136° d

d 1.72 2

d HV = ⋅ P

t ^{HR = P ⋅t}

MEHANSKE LASTNOSTI - POROZNOST

P zaprta

zaprtaP celotnaP

odprtaP = −

POZNAMO :

Celotno poroznost

Zaprto poroznost (pora nima stika s površino)

Odprto poroznost (pora vodi do površine)

MEHANSKE LASTNOSTI - DEFINICIJE

Približne definicije nekaterih mehanskih lastnosti

1. je odpornost materiala proti razenju. Odvisna je predvsem od jakosti kemijske vezi.

2. ima več pomenov.

a) maksimalna natezna trdnost je enaka maksimalni natezni napetosti v področju plastičnosti materiala.

b) zlomna trdnost je vrednost natezne napetosti pri raztezku, pri katerem pride do zloma materiala.

Trdnost je predvsem funkcija polikristaliničnosti.

3. materiala je sorazmerna s površino pod krivuljo - : čim večja je ta površina, tem večja je žilavost.

Trdota Trdnost

Žilavost σ ε

4. je neposredno povezana z elastičnim modulom:

čim manjši je elastični modul, tem večja je elastičnost materiala.

5. je povezana z vrednostjo raztezka pri zlomu materiala (kovine).

Več kot se material raztegne, preden se zlomi, bolj je duktilen.

Elastičnost

Duktilnost

OSNOVNE KRISTALNE ZGRADBE

FAZA : STRUKTURNO HOMOGENI DEL SISTEMA

VEČFAZNI SISTEMI :

PLINI reda ni

TEKOČINE olje ( VdW sile ) H₂O ( H – vez ) Hg ( kovinska ) TRDNE SNOVI red bližnjih in

red daljnih sosedov Glede na urejenost jih delimo na:

monokristalinične, polikristalinične in amorfne trdne snovi

molekul) V PROSTORU

Monokristali Polikristali Amorfna snov

molekul) V PROSTORU

1. Določena strukturna enota se ponavlja skozi celoten material. Celoten material dobimo tako, da strukturne enote zlagamo eno poleg druge v vseh smereh prostora.

Monokristali.

2. . Strukturne enote so pravilno razporejene znotraj omejenih področij - zrn. Na mejah med zrni je razpored enot nepravilen (npr. enote so v prostoru različno orientirane).Tipična velikost zrn: 0.1 - 100 um.Polikristalinična snov

3. Amorfna snov. Snov je urejena na zelo majhnem področju - največ nekaj deset gradnikov. Primer: steklo (podhlajena talina).

1.

2.

3.

Edino pravilo:

vsak je obdan z dvema vsak je obdan s tremi

strukturna enota

Ni strukturne enote!

strukturna enota

BIKRISTAL: strukturna enota se ponavlja le znotraj posameznega zrna;

na meji med zrnoma vlada nered; v tipičnem materialu je na milijarde zrn in mej med njimi

zrno 1 meja zrno 2

15⁰

strukturna enota se ponavlja v vsem materialu

POLIKRISTALIH

Obstaja 7 kristalnih

sistemov. Atomi se lahko nahajajo na ogliščih, v

središču ali na robovih. Vse možne kombinacije dajo 14 kristalnih struktur. Vsak monokristal oziroma vsako zrno v polikristalu ima eno od teh 14 možnih struktur.

Opomba: atomi so v resnici tako veliki, da se stikajo (le zaradi preglednosti jih rišemo kot točke). Primera:

TCK PCK

ZASEDENOST PCK

št. atomov na celico :

zasedenost prostornine :

2 4 6 1 8

8⋅ 1 + ⋅ =

% 04 . 3 74

4 4

3

3

3 ⋅ ⋅ ⋅ =

⋅ =

a

R a

V

n _K π

2 4R=a

ZASEDENOST TCK

št. atomov na celico :

zasedenost prostornine : 8 2

8 1

1+ ⋅ =

% 3 68

2 4

3

3

3 ⋅ ⋅ ⋅ =

⋅ =

a

R a

V

n _K π

3 4R=a

ZASEDENOST DIAMANTA, Si, Ge

št. atomov na celico :

zasedenost prostornine : 8

2 4 6 8

8 + + =

% 3 34

8 4

3

3

3 ⋅ ⋅ ⋅ =

⋅ =

a

R a

V

n _K π

talina

ohladimo

izločanje kristalčkov

Izločanje kristalčkov pomeni nastanek:

- nove površine (povečanje energije) - novega, bolj urejenega volumna (zmanjšanje energije)

∆Gv

∆Ga

+∆G

- G∆

∆G_v

∆G_a

r kritični radij

+

Ko je radij večji od kritičnega radija, kristali spontano rastejo (energija je vedno manjša) dokler se vsa talina ne spremeni v trdno snov, sestavljeno iz posameznih kristalov.

Povečanje energije zaradi nastanka nove površine

Vsota obeh energij:

Zmanjšanje energije zaradi nastanka novega trdnega materiala

NASTANEK TRDNE SNOVI IZ TALINE

defekt

urejena struktura

(nizka energija) večja neurejenost (višja energija)

tu je jedkanje hitro

tu je jedkanje počasno

KAJ VIDIM POD MIKROSKOPOM? pora meja

zrno

Vse lastnosti skupaj: mikrostruktura SPOLIRANA IN NAJEDKANA

POVRŠINA POLIKRISTALA:

KAJ JE MIKROSTRUKTURA?

VPLIVI NA LASTNOST MATERIALOV Tipi defektnih struktur

Točkasti Linijski Ravninski Volumski

Defekti vplivajo na: mehanske, električne, termične in druge lastnosti materialov

Praktična uporaba defektnih struktur :

Toplotna obdelava jekel Polprevodniki

Sodobni akumulatorji Senzorji

Sinteza materialov ( sintranje )

PRIMER TOČKASTIH DEFEKTOV

LINIJSKI DEFEKTI - DISLOKACIJE

Nastanejo zaradi neravnotežne rasti kristalov iz taline, pare ali raztopine Primera :

Robna dislokacija Vijačna dislokacija

<100> {100} VIJAČNA DISLOKACIJA MgO

DISLOKACIJE V WURZITU GaN

screw dislocation in wurtzite GaN edge dislocation in wurtzite GaN N - blue Ga - pink

RAVNINSKI DEFEKTI

Meje med zrni

Zaključek:

‰Trdnost materiala določa predvsem vrsta in količina defektov

‰Trdoto določa predvsem vrsta in jakost kemijske vezi

MATERIALOV - LADJA

Kako se material zlomi?

Razpoke v materialu in nastanek le teh

Za eliptično razpoko v neskončnem materialu :

σ ρ σ ρ

σ _nom ^a ⎟⎟ ≅ ⋅ _nom ⋅ ^a

⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ + ⋅

= 1 2 2

max

ZLOMNA ŽILAVOST, K

0.2 ice

0.5 glass

1 wood

3 granite

3 magnesia

4--5 silicon nitride

2 polystyrene

10--15 reinforced concrete

6--20 cast iron

20--45 aluminium alloys

20--60 GFRP, fibreglass

50--110 titanium alloys

50--150 high strength steel

170 pressure vessel steel

100--350 pure ductile metals

IK_C [MPam^-0.5] Material

K

a =

max

⋅

σ

σ_max - maksimalna obremenitev tik pred zlomom

a ( velikost napake v materialu )

K_C –zlomna žilavost

RAVNOTEŽJE, KOMPONENTA, FAZA

H2O pri 0oC

Ravnotežje: v posodi sta hkrati led in tekoča voda.

Tako stanje se ohranja, dokler se temperatura in/ali tlak ne spremenita.

Led in tekoča voda sta sestavljena iz enakih gradnikov: molekul H2O. Gre za isto komponento.

je torej snov, ki je sestavljena iz istovrstnih gradnikov (molekul, ionov, atomov).

Komponenta

LED TEKOČA VODA

Fizikalne lastnosti ledu so drugačne od fizikalnih lastnosti tekoče vode (led je trd, voda tekoča, led ima manjšo gostoto itd.).

Med ledom in tekočo vodo je jasna meja. Če bi temperatura bila le malo višja od 0oC, bi se ves led stalil, če bi bila malo nižja od 0oC, bi se vsa voda spremenila v led.

1. Področje, znotraj katerega so lastnosti enake in se od drugih področij loči z mejo, imenujemo 2. Meja med dvema fazama se imenuje .

3. Pri spremembi pogojev lahko ena faza preide v drugo fazo (led v vodo ali obratno). Tako spremembo imenujemo faza.

fazna meja

fazni prehod.

Fazni diagram: podaja fazna ravnotežja kot funkcijo različnih pogojev(temperature, tlaka itd.).

H

O : LED, VODA, PARA

FAZNI DIAGRAM VODE

1atm log(tlak)

temperatura

0oC 100oC

TEKOČA VODA

LED PARA

a) b)

c)

GIBBS-OVO FAZNO PRAVILO:

F + S = K + 2

F - število faz v dani točki diagrama

S - število spremenljivk (temperatura, tlak...), ki jih lahko spreminjamo, ne da bi se spremenilo število in vrsta faz

K - število komponent

Uporaba Gibbsovega pravila na faznem diagramu vode:

Število komponent je vedno 1, ker so vse faze iz molekul H2O. To pomeni, da za ves diagram velja: K = 1.

- točka a): Edina faza je led, torej število faz F = 1. Iz pravila sledi, da je S = 2. To pomeni,

da lahko nekoliko spremenimo tako temperaturo kot tlak, pa bomo še zmeraj imeli isto fazo, t.j. led.

- točka b): V ravnotežju sta 2 fazi (tekoča voda in para). Torej F = 2. Zdaj iz pravila sledi, da S = 1.

Zdaj lahko poljubno spremenimo npr. le temperaturo, tlak pa bo s tem avtomatično določen, če želimo ohraniti v sistemu obe fazi (tekočo vodo in paro).

- točka c) se imenuje tudi trojna točka vode. V ravnotežju so vse trifaze.Torej F = 3, oziroma S = 0.

Če hočemo torej ohraniti vse tri faze v ravnotežju, ne smemo spremeniti niti temperature niti tlaka.

TRDNE RAZTOPINE

fazna meja

Ni Ni

Ni

Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Ni Ni

Cu Cu Cu Cu

Cu Cu

Cu Cu

Cu Cu

Cu Cu

Cu Cu

Cu

Cu Cu

Cu Cu

Cu Cu Cu Cu Cu Cu

Cu Cu

Cu Cu

fazne meje ni več

začetno stanje ravnotežno stanje

(substitucijska trdna raztopina)

Če so atomi ene komponente dovolj majhni, da gredo v prazen prostor med atome druge komponente nastane: intersticijska trdna raztopina (primer: ogljikovi atomi gredo v prazen prostor med železove atome, nastane jeklo).

Pogoji za nastanek substitucijske trdne raztopine (Hume-Rothery- jeva pravila):

1. Kristalni strukturi obeh komponent morata biti enaki.

2. Radiji atomov obeh komponent se ne smejo razlikovati za več kot 15%.

3. Atomi obeh komponent morajo imeti isto valenco.

4. Komponenti ne smeta kemijsko reagirati (ne sme nastati nova spojina).

Za Ni in Cu so izpolnjeni vsi gornji pogoji, zato med njima nastane substitucijska trdna raztopina pri vseh utežnih razmerjih.

Če niso izpolnjeni vsi gornji pogoji, se ena komponenta le delno raztopi v drugi -

pride do delne topnosti. To pomeni, da se raztopi le določen % ene komponente v drugi.

DVO – KOMPONENTNI SISTEMI

Tališče snovi določimo na osnovi talilnega diagrama:

čas

čas temperaturatemperatura

trdno stanje

trdno stanje

trdno+tekoče

trdno+tekoče samo

samo

samo tekoče

samo tekoče

oblika talilnega diagrama za enokomponentno snov (voda, nikelj, baker, alkohol)

oblika talilnega diagrama za dvokomponentno snov (nikelj+baker itd.)

T₁ T2 Tališče ni točno določeno, temveč se spreminja od T do T ._{1 2}

DVOKOMPONENTNI FAZNI DIAGRAM 1. Popolna topnost v trdnem (primer: Ni-Cu)

S (trdno stanje)

L (tekoče stanje)

L+S

(trdno +tekoče) T/oC

solidus liquidus

Liquidus črta povezuje vse temperature, kjer se začne trdna faza taliti.

Solidus črta povezuje vse temperature, kjer se taljenje trdne faze konča.

%Cu:

%Ni: 0 20 40 60 80 100

100 80 60 40 20 0

PRAVILO VZVODA v faznih diagramih

S

T/oC L

A C B

sestava

PRAVILO VZVODA

S

S+L = AC

AB

nominalna (izbrana) sestava

(35%B, 65%A) sestava

taline (20%B, 80%A)

sestava trdne faze (60%B, 40%A)

S: masa trdne faze L: masa tekoče faze S+L: celotna masa

FAZNI DIAGRAMI – razvoj mikrostrukture pri hlajenju taline

S T L

T₁

T₃

T₂ X Z Y

sestava

nominalna (izbrana) sestava

(35%B, 65%A) sestava

taline (20%B, 80%A)

sestava trdne faze (60%B, 40%A) A

(100%) B

(100%)

(1)

(2) (3)

Snov v točkah (1), (2) in (3) zakalimo in si jo ogledamo pod mikroskopom:

(1) Talina se strdi. Prostorska razporeditev gradnikov je podobna kot v talini.

Nastane amorfna trdna faza (v njej ni nobenih kristalov). Pri strjevanju nastane nekaj por. Povprečna sestava povsod v vzorcu je 35% B in 65% A.

pori

(2)

amorfna snov (nastala iz taline) amorfna snov (nastala iz taline)

polikristali Pod mikroskopom vidimo polikristale, ki so enaki kot so bili pri temperaturi T2 ter

amorfno snov, ki je nastala iz taline. Povprečna sestava celotnega vzorca je 35% B in 65% A.

Sestava polikristalov je 60% B in 40% A, sestava taline je 20% B in 80% A.

Masni delež polikristalov in amorfne snovi izračunamo po pravilu vzvoda.

Celotna snov je polikristalinična. Sestava vsakega posameznega kristala je enaka povprečni sestavi, t.j. 35% B in 65% A.

(3)

DVOKOMPONENTNI FAZNI DIAGRAM 2. Popolna netopnost v trdnem

S (A+B, ločeni fazi) T L

Tališče(A)

Tališče(B)

sestava

evtektična sestava evtektična

temperatura

A (100%)

B (100%) solidus

liquidus

L + B A + L

E

L - (liquid) vsa snov je tekoča. A in B sta popolnoma pomešana, imamo samo eno fazo.

S - (solid) vsa snov je trdna. A in B sta dve ločeni fazi. Ne gre za trdno raztopino! (Komponenti se ne mešata).

A+L - čista trdna komponenta A je v ravnotežju s tekočo fazo, ki pa je sestavljena iz obeh komponent.

L+B - čista trdna komponenta B je v ravnotežju s tekočo fazo, ki je sestavljena iz obeh komponent.

E - evtektična točka. Samo pri evtektični sestavi trdna snov pri segrevanju preide direktno v tekočo.

Velja: S+F=K+1; K=2, F=3, S=0 (to pomeni, da je E invariantna točka).

: evtektična temperatura je nižja od temperature tališča katerekoli komponente oziroma celo najnižja temperatura, pri kateri preide vsa snov v tekočo fazo. Pomni

Znan primer znižanja tališča v evtektični točki glede na tališče obeh komponent je keramika. Glavni komponenti:

SiO2 s tališčem1726oC in aluminijev oksid (Al2O3) s tališčem 2054oC.

V evtektični točki (pri sestavi okoli 5% Al2O3) znaša tališče le 1587oC.

REALNI FAZNI DIAGRAM 3. Delna topnost v trdnem

S ⁽α+β, ločeni fazi) T L

Tališče(A)

Tališče(B)

sestava

evtektična sestava evtektična

temperatura

A (100%)

B (100%)

α+L L+β

E

α β

α

β - trdna raztopina B v A - trdna raztopina A v B

m1 - meja trdne topnosti B v A (10%B, 90%A) m2 - meja trdne topnosti A v B (80%B, 20%A)

m1 m2

evtektična sestava - (30%B, 70%A)

REALNI FAZNI DIAGRAM 4. Dodatne invariantne točke

Nastanek nove spojine

nova snov se obnaša kot komponenta

B3A

nova snov nima točno določenega tališča - inkongruentno taljenje

ŽELEZO IN JEKLA

Železo je najcenejša in za Al najbolj razširjena kovina

Leta 1988 so v ZDA proizvedli cca. 100 mio ton jekla, od tega 78% navadnega ( ogljikovega ) jekla. Po volumnu so polimeri že 1970 presegli proizvodnjo jekla

Ogljikova jekla (C – Fe ) so : Dajo se :

trdna vlivati

žilava plastično oblikovati

rastegljiva strojno oblikovati

cenena ( ! ) toplotno oblikovati ...

Slaba lastnost : nizka korozijska obstojnost (zato jih barvamo, emajliramo, galvaniziramo, katodno ali anodno zaščitimo ...)

Noben drug material (še ne) omogoča tako posrečene kombinacije lastnosti pri tako nizki ceni kot so C - jekla

Klasifikacija materialov:

Youngov modul v

odvisnosti od

cene

Fe in JEKLA – še nekaj o lastnostih

trdnost spreminjamo od 200 MPa - 4000 MPa trdota se giblje od 175 - 850 VHN

lahko kontrolirano spreminjamo magnetne lastnosti jekel lahko vplivamo na korozijsko odpornost jekel

Gornje lastnosti so odvisne predvsem od mikrostrukture.

toplotne obdelave Mikrostruktura pa je odvisna od

sestave

(% Fe, C itd.)

FAZNI DIAGRAM ŽELEZO - OGLJIK

1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

1 2 3 4 5 6

α + Fe C₃

α Fe C₃

γ + Fe C₃ γ + L

γ ^{L+ Fe3C}

L

727o 906o

1148o

1227o 1495o

(tališče: 1538o)

4.30

0.77

2.11

6.67

(ferit) (cementit)

(avstenit)

0.02%

E

U

KOMENTAR faznega diagrama železo - ogljik

- Čisto železo: mehek material,

- pod 906oC: -Fe ( ), telesno centrirana kocka

- nad 906oC: -fe ( ), ploskovno centrirana kocka

- nad 1400oC, -Fe, spet tel. centr. kocka, tehnološko nepomembno α

γ δ

ferit avstenit

premehko, premalo korozijsko odporno za tehnološko uporabo

- nad 760oC: železo preide iz feromagnetnega v paramagnetno (ga ne moremo več trajno namagnetiti)

- Čisti cementit: trd, vendar krhek material.

- Maksimalna trdna topnost avstenita (2.11%) predstavlja mejo med jekli in litim železom:

a) 0 - 2.11 % C:

b) 2.11-4.3 % C: JEKLA

LITO ŽELEZO

JEKLA

avstenitna (kristalizirajo v obliki, do 2.11% C)

(za stabilnost potrebni dodatki Ni) γ

feritna (kristalizirajo v obliki, le do 0.02% C)

(obstojna brez dodatkov, cenejša, slabša korozijska odpornost)

α

DELITEV JEKEL

Vprašanji:

1. Zakaj moramo avstenitnim jeklom dodajati Ni, da so obstojna pri sobni temperaturi?

2. TCK ( struktura) vsebuje 2 Fe atoma v eni osnovni celici, PCK ( struktura) pa vsebuje 4 atome/celico.

Zdi se, da je PCK struktura bolj gosta. Kako je možno, da se v tej, navidez bolj gosti strukturi raztaplja več ogljika kot v TCK?

α γ

REALNI FAZNI DIAGRAM

4. Dodatne invariantne točke

ZAKAJ OGLJIK SPREMENI LASTNOSTI Fe?

8x1/8 + 1 = 2 atoma/celico TCK (ferit)

tetraedrska praznina

8x1/8 + 6x1/2 = 4 atomi/celico PCK (avstenit)

oktaedrska praznina

a x y

a d

r ₅

R = ³ - 1 = 0.291 r

R = 0.414 r

R = 0.621

R(Fe) = 0.124 nm r(C) = 0.077 nm

Idealno:

TUJI ATOMI/IONI V STRUKTURI POVZROČIJO NAPETOST

1

1- 2- 3- 4-

2

3

4

M_M

V_M M_i T_M T_i

OHLAJANJE RAZLIČNIH SESTAV VODI DO RAZLIČNIH STRUKTUR

L

α + Fe C₃

γ + Fe C₃

γ + L γ

α α+

sestava

temperatura

γ

(a)

(b)

(c)

(d)

A

A F

F

F P P C

C P

P

P C A

C A

A

A

A C A L L

-avstenit ( )γ -ferit ( )α -perlit -cementit (Fe C)₃

VPLIV HITROSTI OHLAJANJA NA STRUKTURO

Evtektoidna reakcija:

γ α + Fe C ₃

a) ohlajamo počasi: dobimo fino lamelno mikrostrukturo

Fe C₃

α α α

PERLIT

(krhek material,

zlomi se v področju Fe C)₃

b) ohlajamo hitro (kalimo)

γ martenzit - termodinamsko zelo nestabilna struktura - kinetično zelo stabilna struktura

- 4x trši od perlita - krhek

MARTENZITNA TRANSFORMACIJA

Martenzitna transformacija:

- ena najpomembnejših transformacij, s katerimi spreminjamo mehanske lastnosti kovin - je brezdifuzijska (atomi zadržijo iste sosede, sestava faz se ne spremeni)

γ α + Fe C ₃

martenzit

počasno ohlajanje kalje

nje

popuščanje

Fe ena od oktaedrskih vrzeil

avstenit ( )γ ferit ( )α

0.252 nm 0.285 nm 0.286 nm

0.357 nm 0.295 nm 0.286 nm

martenzit

Lastnosti različnih faz

MEHANSKE LASTNOSTI :

FERIT je raztegljiv in ima nizko trdnost ( ≤ 310 MNm^-2 )

AVSTENIT je raztegljiv, ima nekoliko višjo trdnost pri višjih T CEMENTIT je trd in krhek

MARTENZIT je trd in krhek (podoben keramiki)

Lastnosti martenzita zelo izboljšamo s pazljivo nadaljnjo temperaturno obdelavo.

Pri tem del martenzita preide v ferit in cementit – glej shemo na prejšnji strani.

Dobimo še vedno trd material, ki pa je deloma tudi raztegljiv.

KINETIKA PREHODOV

TEMPERATURATEMPERATURA

HITROST NUKLEACIJE

HITROST TRANSFORMACIJE difuzija

nestabilnost taline

produkt (difuzija x nestabilnost)

nukleacija

največja hitrost nukleacije

hitrost rasti zrn

(produkt: nukleacija x hitrost rasti) celotna hitrost

KAKO HITRO NASTANE NOVE FAZA?

DIAGRAMI TTt (temperatura, transformacija, čas)

Temperatura

1 min 1 ura 1 dan čas

723oC

Točka 1: dobimo grob perlit Točka 2: dobimo čisti martenzit

Točka 3: dobimo fino zrnat perlit (bainit), lamele izginejo Polne črte prikazujejo, kako se s časom spreminja

temperatura vzorca.

20 100 200 300 400 500 600 700 800

T/ C0

čas

1 2 4 8 15 30 1 2 4 8 15 30 1 2 4 8 15 30 60

sekunde minute ure

727⁰

γ (avstenit) Ms

I II

III grobo zrnat perlit

fino zrnat perlit

perlit + bainit bainit IV martenzit

15 40 44 43 53 60 64 66

končna trdota/Rockwel C

TTt DIAGRAM ZA JEKLA

1. Difuzijsko žarjenje: (1100oC - 1200oC)

a) odpravimo napake, železo se homogenizira

b) slabost: ker zrna zelo zrastejo (100-200 mikrometrov), so tolerance pri brušenju zelo velike

2. Normalizacija: izmenično spreminjamo T nad in pod 723oC.

PCK TCK

zaradi neprestanih napetosti velika zrna popokajo

4. Obstaja še mnogo drugih načinov toplotne obdelave (martemperiranje, austemperiranje...)

3. Cementiranje:

0.1%C (žilava sredica)

srednji sloj

(martenzit) zunanji sloj

(nitrid - zelo tanek)

TOPLOTNE OBDELAVE JEKEL

SPLOŠNE ZNAČILNOSTI JEKEL IN ZLITIN

1. Lastnosti jekel glede na vsebnost ogljika:

a) nizkoogljična (do 0.25% C) so zelo žilava, mehansko manj trdna, dobra za obdelavo v hladnem

b) srednjeogljična (0.25-0.55%C) in visokoogljična (0.55%-1%) so zelo trdna in trda, ne pa žilava; uporabljajo se za orodja, kroglične ležaje ipd.

2. Legirana jekla ali zlitine imajo visoko vsebnost Ni in Cr.

Primer: nerjavno jeklo vsebuje 8% Ni in 18% Cr.

3. Litine

a) bela (2.5% C, tališče 1300oC); trda in krhka

b) sivo litino dobimo, če beli dodamo nekaj Si; C se izloča po zrnih (površini); je manj krhka in bolj žilava od bele litine.

Uporaba: duši zvok, nosilci za težke stroje

c) če dodamo še Mg, dobimo v mikrostrukturi kroglice (nodule), zato imenujemo to litino nodularna litina; ima podobne lastnosti kot manj kvalitetna jekla, jo lahko varimo.

ALUMINIJ

Drugi najpomembnejši konstrukcijski material zaradi:

- visoke korozijske odpornosti - nizke gostote (2.7 g/cm3) Pomanjkljivosti:

a) nizko tališče (660oC) b) mehek material

c) trdnost z naraščanjem temperature hitro pada; uporaben je le pri sobni T.

Čisti aluminij ima preslabe mehanske lastnosti. Struktura: PCK.

Možen je nastanek trdnih raztopin. Primeri: zlitine z bakrom, magnezijem, manganom, cinkom, silicijem. Za zlitine niso uporabni: Fe, krom, titan.

Uporaba:

- konstrukcijski material (letala,vagoni, motorji, arhitektura ipd.) - pločevinke (problem strupenost -> plastificiranje)

- folije (0.018 cm)

- električni kabli (včasih nadomešča baker) Nekatere lastnosti:

- čisti Al približno 5x manj trden kot Fe ali nikelj - zlitine: 2-3 x bolj trdne kot čisti Al

- prevodnost: 60% slabša od bakra

ALUMINIJ – fazni diagram Al-Cu

5 10 15 20 25 30 35 40 95 100

Al(100%) Cu(100%)

0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 T/ C^o

E(33.2) 548^o

5.65

1084.5^o

660.4^o

κ

300 200 100

A

B

C D

A B C D

drobni izločki Cu (

) izločevalno utrjevanje

aglomeracija - ponovno zmehčanje ni

spremembe trdna

raztopina

BAKER

kovina specifična upornost/ 10⁶ Ωcm srebro 1.59

baker 1.67

aluminij 2.65 cink 5.92 nikelj 6.84 železo 9.71 svinec 20.65

1. Ima odlično električno prevodnost (nizko upornost):

2. Baker je mehek, korozijsko obstojen material (pasivni film) in ga je lahko obdelovati.

3. Bakrove zlitine:

a) baker + cink: medenina

b) baker + kositer: bron (izvrstno ulivanje: topovi, zvonovi itd.) c) baker + 2%berilija; ne iskri, velika trdnost (nad 1000 MPa)

4. Uporaba: prevodniki, tiskana vezja...

OSTALE KOVINE

CINK

Uporablja se za zaščito jekel (elektrokemijska zaščita).

Uporablja se za tudi za dekoracijo (lepa površina) in v zlitinah (medenina).

SVINEC: akumulatorji, drugje uporaba pada (ekologija)

KOBALT: v kombinaciji z WC ---> vidija (zelo trd material); litijeve baterije NIKELJ, KROM: jekla

KOROZIJA

Korozija je propad materiala (kovin, betona, plastike, stekla, itd.) zaradi kemijskih ali elektrokemijskih reakcij z okolico.

Odvisna je od: temperature, prisotnosti in količine agresivnih snovi v okolici.

Dodatni vplivi: mehanska napetost, erozija itd.

Letna škoda: 3-5 % BDP Vrste korozije kovin:

- enakomerna - jamičasta

- korozija v špranjah - medkristalna

- selektivna

Kje lahko poteka?

- v raztopini - v atmosferi - pod zemljo

KOROZIJA KOVIN

Zakaj jeklo korodira?

atmosfera

(N2, O2, H2O...) kos

jekla

kristali železovih

oksidov (FeO, Fe2O3, Fe3O4)

razpoka

(ni zaščite pred atmosfero)

Hitrost korozije jekel v atmosferi: od 5-30 g/m2 v 1 mesecu.

KOROZIJA KOVIN

Vprašanje: Zakaj aluminij ne korodira?

PILLING-BEDWORTHOV KOLIČNIK: molski volumen oksida molski volumen kovine

precej večji od 1 ali

manjši od 1 malo večji od 1

film kovine ne ščiti pred korozijo

film kovino ščiti

(pasivacija, pasivni film)

KOROZIJA OSTALIH MATERIALOV

KOROZIJA BETONA

Zaščita betona pred korozijo Delimo na:

- korozijo jeklene armature (premajhna zbitost betona)

- korozijo mineralov v betonu (minerali reagirajo s kislinami ali solmi iz okolice)

Premajhna zbitost zaščita armature s kazeinom, bitumnom, glino

Zaščita mineralov:

- zmanjšanje vodopropustnosti

- povečanje elastičnosti in viskoznosti s polimeri - impregnacija hidrofobnost

KOROZIJA POLIMEROV

Propad polimerov povzročajo lahko: svetloba, toplota, kisik, ozon, mehanske poškodbe, voda in razne agresivne tekočine, ultrazvok.