Luku 4: Hilaviat Käsiteltäviä aiheita…

Esitys aiheesta: "Luku 4: Hilaviat Käsiteltäviä aiheita…"— Esityksen transkriptio:

1 Luku 4: Hilaviat Käsiteltäviä aiheita…
Mitkä ovat jähmettymismekanismit? Millaisia virheitä kiinteissä aineissa on? Voidaanko vikojen määrää ja tyyppiä kontrolloida? Miten viat vaikuttavat materiaaliominaisuuksiin? Ovatko viat epätoivottuja?

2 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

3 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.

4 Jähmettyminen Rakeet voivat olla tasa-aksiaalisia (lähes sama koko joka suunnassa) pylväsmäisiä (venyneet rakeet) ~ 8 cm lämmön siirtyminen nopea jäähtyminen: tasa-aksiaalisia rakeita (suuri T) lähellä reunaa vähän alijäähtymistä: pylväsmäinen rakenne Fig. 4.12, Callister 7e. Ymppäys: sulan seostamista aineella, joka pienentää raekokoa ja muodostaa tasa-aksiaalisempia rakeita

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

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

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

8 Tasapainokonsentraatio: pistemäiset viat
• Tasapainokonsentraatio riippuu lämpötilasta! vikojen lkm aktivaatioenergia æ - ö N Q v ç v ÷ = exp ç ÷ vikojen potentiaalinen lkm è ø N k T lämpötila Boltzmannin vakio -23 (1,38 x 10 J/atomi-K) -5 (8,62 x 10 eV/atomi-K) jokainen atomipaikka on potentiaalinen vakanssin paikka

9 Aktivaatioenergian mittaaminen
ç ÷ N v = exp - Q k T æ è ö ø • Qv voidaan määrittää kokeellisesti • Mitataan… N v T exponentiaalinen riippuvuus! vikojen esiintymistiheys • Logaritminen asteikko,,, 1/ T N v ln - Q /k kulmakerroin

10 Vakanssitiheyden arviointi
• Arvioidaan vakanssien lukumäärä 1 m3 Cu 1000C:ssa • Tiedetään: 3 r = 8,4 g / cm A = 63,5 g/mol Cu Q = 0,9 eV/atom N = 6,02 x 1023 atomia/mol A v 8,62 x 10-5 eV/atomi-K 0,9 eV/atomi 1273K ç ÷ N v = exp - Q k T æ è ö ø = 2,7 x 10-4 1 m3 , N = N A Cu r x = 8,0 x 1028 atomipaikkaa • Vastaus: N v = (2,7 x 10-4)(8,0 x 1028) paikkaa = 2,2 x 1025 vakanssia

11 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 (K.F. McCarty, J.A. Nobel, and N.C. Bartelt, "Vacancies in Solids and the Stability of Surface Morphology", Nature, Vol. 412, pp (2001), (5.75 mm by 5.75 mm,) Copyright (2001) Macmillan Publishers, Ltd, saareke kasvaa/kutistuu säilyttääkseen tasapainon mukaisen vakanssimäärän rakenteessa

12 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

13 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)

14 Liukeneminen Esimerkki: jähmeät liuokset
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,

15 Liukeneminen Koostumus painoprosentteina atomiprosentteina
m1 = ainesosan 1 massa nm1 = ainesosan 1 ainemäärä (mol) atomiprosentteina

16 Viivamaiset viat Dislokaatiot Esim. erilliskide liukuminen
ovat viivamaisia vikoja liukumista kidetasojen välillä tapahtuu, kun dislokaatiot liikkuvat synnyttää pysyvää (plastista) muodonmuutosta Esim. erilliskide ennen deformaatiota deformation jälkeen liukuminen Fig, 7,8, Callister 7e,

17 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

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

19 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)

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

21 Särmä-, ruuvi-, ja sekadislokaatiot
Fig. 4.5, Callister 7e.

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

23 Dislokaatiot ja kiderakenne
Rakenne: dislokaatiot suosivat tiivispakkauksellisia tasoja ja suuntia kaksi päällekäistä tiivispakkauksellista tasoa tiivispakkaukselliset suunnat tiivispakkauksellinen taso (alla) tiivispakkauksellinen taso (yllä) Vertailu eri kiderakenteiden välillä: pkk: useita tiivispakkauksellisia tasoja ja suuntia; tph: vain yksi taso, kolme suuntaa; tkk: ei yhtään tiivispakkauksellista tasoa poikkivedettyjä koesauvoja Mg (tph) vetosuunta Al (pkk)

24 Tasomaiset viat kiinteissä aineissa
Yksi tasomainen vika on kaksosraja atomien sijainnit ovat peilikuvat kaksostumistason yli Pinousviat pkk-metallilla poikkeama ABCABC pakkausjärjestyksestä esim. ABCABABC Fig. 4.9, Callister 7e.

25 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

26 Optinen mikroskopia • Käyttökelpoinen jopa 2000x suurennoksiin
• Kiillotus poistaa pinnan epätasaisuudet • Syövytys muuttaa heijastusta riippuen kiteen orientaatiosta 0,75mm kristallografiset tasot Fig. 4.13(b) and (c), Callister 7e. mikroskooppikuva messingistä (Cu-Zn seos)

27 Optinen mikroskopia Raerajat… Fe-Cr seos N = 2 n -1 ovat “vikoja”
syöpyvät voimakkaammin, voivat näkyä tummina viivoina muuttavat kideorientaatiota raerajan yli Fe-Cr seos (b) raeraja pintaura kiillotettu pinta (a) ASTM raekoko N = 2 n -1 rakeiden lkm/neliötuuma 100x suurennoksella Fig. 4.14(a) and (b), Callister 7e.

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

29 Mikroskopia Röntgensäteet? …hankala tarkentaa Elektronit
Optinen resoluutio n m = 0,1 m = 100 nm Korkeampi resoluutio vaatisi pienempää aallonpituutta Röntgensäteet? …hankala tarkentaa Elektronit aallonpituus n. 3 pm (0,003 nm) atomitason resoluutio mahdollinen, > x suurennos elektronisuihku kohdistetaan magneettisten linssien avulla Optical microscopy good to ca, wavelength of light Higher frequencies X-rays – good idea but difficult to focus Electrons - wavelength proportional to velocity with high voltage (high acceleration) get wavelengths ca, 3pm (0,003nm) (x1,000,000)

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

31 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”)

32 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)

33 Tiedotettavaa Luettavaa: Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa