TEHNOLOGIJA GRADIV IN KERAMIKE. NAMEN TEČAJA : Spoznati zvezo med strukturo in lastnostmi izbranih materialov

Transcript

1 TENOLOGIJA GRADIV IN KERAMIKE 1 NAMEN TEČAJA : Spoznati zvezo med strukturo in lastnostmi izbranih materialov

2 Kaj je struktura? nm 5 nm 1 µm = mm; 1 nm = µ m

3 LASTNOSTI MATERIALOV 3 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

4 KRITERIJI ZA OENO MATERIALA 4 KRITERIJI ZA OENO USTREZNOSTI MATERIALA Funkcionalnost Kompatibilnost Zanesljivost Trajnost Sposobnost oblikovanja Dosegljivost Gospodarnost RAZNOLIKOST MATERIALOV Kovine Polimeri Keramika Kompoziti

5 A7 OSNOVNE SKUPINE MATERIALOV 5 KOVINE IN ZLITINE POLIMERI Fe in jekla Al in zlitine u in zlitine Ni in zlitine Ti in zlitine ostalo Polietilen (PE) polimetilmetakrilat (PMMA), "PLEKSI" najlon fenolformaldehid (FF) polistiren (PS) poliuretan (PU) polivinilklorid (PV) akrilonitril- butadien-stiren (ABS)

6 Slide 5 A7 Slika Avtor;

7 A9 OSNOVNE SKUPINE MATERIALOV 6 KERAMIKA, STEKLO IN ANORGANSKA VEZIVA KOMPOZITI Korund (Al 2 O 3 ) Porcelan (alumosilikat) Karborund (Si) Silicijev nitrid (Si 3 N 4 ) Perovskiti (BaTiO 3, PZT) ement in beton Steklo Les Fiberglas Polimeri/ vlakna (FRP) Polimeri s polnili ermeti (WIDIA)

8 Slide 6 A9 slika Avtor;

9 ENA MATERIALOV ( Januar 1980 ) 7 MATERIAL diamant, industrijski Pt Au Ag B-epoksi kompozit FRP WIDIA Ti-zlitine POLIIMIDI (KEVLAR) Ni PMMA hitrorezno jeklo NAJLON nerjavna jekla u DURAL KORUND steklo naravna guma $/tona VIR : Ashby / Jones 14

10 NARAŠČANJE PROIZVODNJE 8 Naraščanje proizvodnje [% / leto] ( podatki za leta ) Jeklo 3,4% Aluminij 8 % Polimeri 18 % V kolikšnem času se proizvodnja materialov podvoji? dk r = K dt 100, ta enačba se po integriranju glasi : r 2K t = e 100 K REZULTATI : Jeklo cca 20 let Aluminij cca 9 let Polimeri cca 4 leta

11 KONKURENA MED MATERIALI 9 KONKURENA MED MATERIALI V MASI OSEBNEGA AVTOMOBILA Ostalo do 100 % : Keramika Barvne kovine masa T T T Kompoziti Jeklo / Fe 60 % % 40 % Al 3-5 % 5-10 % 15 % polimeri % % 30 % Vir : Smith 12

12 RAZVOJ VEDE O MATERIALI 10 ZVEZA MED STRUKTURO IN LASTNOSTMI BLAGOZNANSTVO Izkušnja +Priročnik (inženirsko znanje) Zveza med strukturo in lastnostmi VEDA O MATERIALI Razumevanje +Priročnik (znanje, ki lahko vodi do izumov novih materialov) PRISTOP K KURSU : Interdisciplinarno znanje (kemija, fizika, inženirsko znanje etc.))

13 MEANSKE LASTNOSTI 11 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 Žilav, ker bo kupola pristala z 2. Žilav udarcem.palice morajo absorbirati 3. Trd energijo udarca brez zloma. Lahko pa 4. Mehek dovolimo delno plastično deformacijo, ker 5. Raztegljiv kupola ne bo potrebovala palic za novo 6. Krhek pristajanje. ( na zemljo pristane s padalom )

14 ATOMSKE VEZI 1 PRIMARNE VEZI (povezujejo posamezne atome) Ionska Kovalentna Kovinska kcal/mol SEKUNDARNE VEZI (povezujejo večje enote: molekule, majhne kristale itd.) Vodikova vez Van der Waalsove vezi 10kcal/mol 2-4 kcal/mol

15 IONSKA VEZ = Na l Na + l - (atom) (atom) + - (elektrostatski privlak med ionoma) 2 SILE MED IONI V KRISTALU (analogija z vzmetmi) a o Ko so vzmeti v ravnotežnem stanju (niso niti raztegnjene niti stisnjene), je med kroglicami razdalja a o. Če želimo spremeniti a o, moramo dodati energijo. Energija ravnotežnega stanja je torej najmanjša. Energija ravnotežnega stanja = energija sistema

16 IONSKA VEZ 3 Sile med ioni: a) privlačne - zaradi elektrostatskega privlaka med + in -. b) odbojne - zaradi Paulijevega izključitvenega principa Energijo dobimo tako, da pomnožimo silo in razdaljo med atomi. Graf energije (U) v odvisnosti od razdalje med atomi (a): +U odboj U 0 0 a o privlak a -U privlak + odboj Pri ravnotežni razdalji a o je torej energija minimalna (U 0). To je energija kristalne rešetke.

17 IONSKA VEZ 4 LASTNOSTI KRIVULJE ENERGIJA - RAZDALJA Čim večja je energija kristalne rešetke (energija minimuma), tem večja je a o (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.

18 IONSKA VEZ (primeri: tališče Tm in energija Uo) 5 VIR: ORING stran 59

19 IONSKA VEZ - KOORDINAIJA 6 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 KŠ Minimalni r/r 2R r

20 IONSKA VEZ - KOORDINAIJA 7 Dve možni idealizirani strukturi z različnim ramerjem radijev kationov in anionov : Primer: Izračun idealnega razmerja radijev za koordinacijo 6 (oktaedrska): 2R 2r R: radij velikih krogel r: radij male krogle a: dolžina stranice kvadrata d: dolžina diagonale kvadrata a a = 2R d = a 2 = 2r + 2R 2R 2 = 2r + 2R 2R( 2-1) = 2r r = 2-1 = R

21 KOVALENTNA VEZ 8 Tipično med nekovinskimi atomi, N, O,, F... Delno kovalentna vez Si, Ge, As, Se 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 2) močne, med molekulami (med različnimi ) pa kovalentnih sil sploh ni. 2

22 KOVALENTNA VEZ 9 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.

23 KOVINSKA VEZ 10 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 elektroni 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).

24 SEKUNDARNE VEZI - primer: vodikova vez δ + 11 δ - O δ + δ - Vodikova vez δ + δ - O δ + POMEN : Vrelišče 2 O 100 Toplotna obstojnost Vodikova vez O δ + δ +

25 MEANSKE LASTNOSTI - NATEZNOSTNI POSKUS 1 Tipičen potek grafa ε/σ za polikristaliničen preizkušanec

26 RAZLAGA NATEZNOSTN. POSKUSA 2 KVALITATIVNA RAZLAGA NEKATERI TOČK NA DIAGRAMU σ - ε Točka 0: ravnotežje F 1 Točka A: F 1 Elastična deformacija: pod vplivom sile se atomi nekoliko premaknejo z ravnotežnih mest; če sila popusti, se atomi vrnejo v ravnotežni položaj F 1 Točka P 1 : F 1 Plastična deformacija: pod vplivom sile atomske plasti povsem spremenijo medsebojni položaj; Točka P 2 : novo ravnotežje Plastična deformacija: ko sila po plastični deformaciji popusti, atomi zdrknejo v v najbližji minimum; atomi zavzamejo nove ravnotežne položaje.

27 ELASTIČNE LASTNOSTI 3 Atomistična razlaga elastične deformacije: U 1. Velja ookov zakon: σ = Eε E = elastični (ali Youngov) modul 2. Če odstranimo natezno silo, preizkušanec spet zavzame začetno dolžino l. r (medatomska razdalja) Silo izračunamo z odvajanjem: F = du dr 3. Elastična deformacija je trenutna - raztezek v trenutku sledi sili. F 0 linearno območje (približek): razdalja in sila sta premosorazmerni a 0 (ravnotežna medatomska razdalja) r (medatomska razdalja)

28 RAZLAGA PLASTIČNE DEFORMAIJE 4 Plastično deformacijo razložimo s premikanjem dislokacij v materialu pod mehansko obremenitvijo A B A) B) drsna ravnina Dislokacija ena najpogostejših napak v materialu ) D)

29 5 MATERIALI Z RAZLIČNIMI ME. LASTNOSTMI

30 MEANSKE LASTNOSTI - TRDOTA 6 TDROTA Odpornost materiala proti vdiranju drugega trdega telesa Glede na obliko telesa, ki ga vtiskamo ločimo trdoto po : 136 BRINELLU (B) ( merimo premer odtisa ) VIKERSU (V) ( diamantna 4 strana piramida ) ROKWELLU (R) ( diamantni stožec ali kroglica ) D d t d B = π D V R = 1.72 = P t 2 P ( ) 2 2 D D d Pri večini kovin je natezna trdnost približno proporcionalna trdoti σ = K. (B). P v vseh primerih predstavlja silo. P d 2

31 MEANSKE LASTNOSTI - POROZNOST 7 POZNAMO : elotno poroznost Zaprto poroznost (pora nima stika s površino) Odprto poroznost (pora vodi do površine) zaprtap odprtap = celotnap zaprtap

32 MEANSKE LASTNOSTI - DEFINIIJE 8 Približne definicije nekaterih mehanskih lastnosti 1. Trdota je odpornost materiala proti razenju. Odvisna je predvsem od jakosti kemijske vezi. 2. Trdnost 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. Žilavost materiala je sorazmerna s površino pod krivuljo σ - ε: čim večja je ta površina, tem večja je žilavost. 4. Elastičnost je neposredno povezana z elastičnim modulom: čim manjši je elastični modul, tem večja je elastičnost materiala. 5. Duktilnost je povezana z vrednostjo raztezka pri zlomu materiala (kovine). Več kot se material raztegne, preden se zlomi, bolj je duktilen.

33 OSNOVNE KRISTALNE ZGRADBE 1 FAZA : STRUKTURNO OMOGENI DEL SISTEMA VEČFAZNI SISTEMI : PLINI reda ni TEKOČINE olje ( VdW sile ) 2 O ( vez ) g ( kovinska ) TRDNE SNOVI red bližnjih in red daljnih sosedov Glede na urejenost jih delimo na: monokristalinične, polikristalinične in amorfne trdne snovi

34 RAZPOREDITEV OSNOVNI GRADNIKOV (atomov, ionov, molekul) V PROSTORU 2 Monokristali Polikristali Amorfna snov

35 RAZPOREDITEV OSNOVNI GRADNIKOV (atomov, ionov, molekul) V PROSTORU 1. Monokristali. Določena strukturna enota se ponavlja skozi celoten material. eloten material dobimo tako, da strukturne enote zlagamo eno poleg druge v vseh smereh prostora. 2. Polikristalinična snov. 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: um. 3. Amorfna snov. Snov je urejena na zelo majhnem področju - največ nekaj deset gradnikov. Primer: steklo (podhlajena talina) strukturna enota strukturna enota se ponavlja v vsem materialu zrno 1 meja zrno 2 2. 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 15 0 strukturna enota Ni strukturne enote! 3. Edino pravilo: vsak je obdan z dvema vsak je obdan s tremi

36 STRUKTURA MONOKRISTALOV OZIROMA ZRN V POLIKRISTALI 4 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: TK PK

37 ZASEDENOST PK 5 št. atomov na celico : = zasedenost prostornine : 4R= a 2 n V a π R K = = 3 3 a %

38 ZASEDENOST TK 6 št. atomov na celico : = 2 8 zasedenost prostornine : 4R= a 3 n V a π R K = = 3 3 a 3 68%

39 ZASEDENOST DIAMANTA, Si, Ge 7 št. atomov na celico : = 8 zasedenost prostornine : n V a π R K = = 3 3 a 3 34%

40 NASTANEK TRDNE SNOVI IZ TALINE 8 talina ohladimo izločanje kristalčkov Izločanje kristalčkov pomeni nastanek: - nove površine (povečanje energije) - novega, bolj urejenega volumna (zmanjšanje energije) + G Povečanje energije zaradi nastanka nove površine G a kritični radij r G v Zmanjšanje energije zaradi nastanka novega trdnega materiala Vsota obeh energij: G a + G v - G 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.

41 KAJ JE MIKROSTRUKTURA? 9 SPOLIRANA IN NAJEDKANA POVRŠINA POLIKRISTALA: defekt tu je jedkanje hitro tu je jedkanje počasno urejena struktura (nizka energija) večja neurejenost (višja energija) KAJ VIDIM POD MIKROSKOPOM? pora meja zrno Vse lastnosti skupaj: mikrostruktura

42 NEPRAVILNOSTI (DEFEKTI) V STRUKTURI, VPLIVI NA LASTNOST MATERIALOV 10 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 )

43 PRIMER TOČKASTI DEFEKTOV 11

44 LINIJSKI DEFEKTI - DISLOKAIJE 12 Nastanejo zaradi neravnotežne rasti kristalov iz taline, pare ali raztopine Primera : Robna dislokacija Vijačna dislokacija

45 <100> {100} VIJAČNA DISLOKAIJA MgO 13

46 DISLOKAIJE V WURZITU GaN 14 screw dislocation in wurtzite GaN edge dislocation in wurtzite GaN N - blue Ga - pink

47 RAVNINSKI DEFEKTI 15 Meje med zrni Zaključek: Trdnost materiala določa predvsem vrsta in količina defektov Trdoto določa predvsem vrsta in jakost kemijske vezi

48 PRIMER NESREČ OB NEUPOŠTEVANJU LASTNOSTI MATERIALOV - LADJA 16

49 Kako se material zlomi? 17 Razpoke v materialu in nastanek le teh Za eliptično razpoko v neskončnem materialu : σ max a = σ nom 1+ 2 σ ρ 2 nom a ρ

50 ZLOMNA ŽILAVOST, K 18 σ max a = K σ max - maksimalna obremenitev tik pred zlomom a ( velikost napake v materialu ) K zlomna žilavost Material pure ductile metals pressure vessel steel high strength steel titanium alloys GFRP, fibreglass aluminium alloys cast iron reinforced concrete polystyrene silicon nitride magnesia granite wood glass ice IK [MPam -0.5 ]

51 RAVNOTEŽJE, KOMPONENTA, FAZA 1 2 O pri 0 o LED TEKOČA VODA 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 2 O. Gre za isto komponento. Komponenta je torej snov, ki je sestavljena iz istovrstnih gradnikov (molekul, ionov, atomov). 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 0 o, bi se ves led stalil, če bi bila malo nižja od 0 o, bi se vsa voda spremenila v led. 1. Področje, znotraj katerega so lastnosti enake in se od drugih področij loči z mejo, imenujemo faza. 2. Meja med dvema fazama se imenuje fazna meja. 3. Pri spremembi pogojev lahko ena faza preide v drugo fazo (led v vodo ali obratno). Tako spremembo imenujemo fazni prehod. Fazni diagram: podaja fazna ravnotežja kot funkcijo različnih pogojev(temperature, tlaka itd.).

52 2 O : LED, VODA, PARA 2 FAZNI DIAGRAM VODE 100 o GIBBS-OVO FAZNO PRAVILO: temperatura PARA c) b) TEKOČA VODA 0 o 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 a) LED 1atm log(tlak) Uporaba Gibbsovega pravila na faznem diagramu vode: Število komponent je vedno 1, ker so vse faze iz molekul 2 O. 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.

53 TRDNE RAZTOPINE 3 fazna meja fazne meje ni več Ni Ni Ni Ni u u u u u Ni u Ni u Ni u Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni u u u u u u u u u u Ni u Ni u Ni u u Ni u Ni u Ni u Ni u Ni Ni u Ni u Ni u 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 (ume-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 u 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.

54 DVO KOMPONENTNI SISTEMI 4 Tališče snovi določimo na osnovi talilnega diagrama: temperatura samo trdno stanje trdno+tekoče samo tekoče oblika talilnega diagrama za enokomponentno snov (voda, nikelj, baker, alkohol) čas temperatura samo trdno stanje trdno+tekoče samo tekoče oblika talilnega diagrama za dvokomponentno snov (nikelj+baker itd.) T 2 T Tališče ni točno določeno, temveč se spreminja od 1 T do T. 1 2 čas

55 DVOKOMPONENTNI FAZNI DIAGRAM 1. Popolna topnost v trdnem (primer: Ni-u) 5 T/ o L (tekoče stanje) liquidus L+S (trdno +tekoče) solidus S (trdno stanje) %Ni: %u: Liquidus črta povezuje vse temperature, kjer se začne trdna faza taliti. Solidus črta povezuje vse temperature, kjer se taljenje trdne faze konča.

56 PRAVILO VZVODA v faznih diagramih 6 T/ o L PRAVILO VZVODA A B S S S+L = A AB S: masa trdne faze L: masa tekoče faze S+L: celotna masa sestava taline (20%B, 80%A) nominalna (izbrana) sestava (35%B, 65%A) sestava trdne faze (60%B, 40%A) sestava

57 FAZNI DIAGRAMI razvoj mikrostrukture pri hlajenju taline 7 T L T 1 (1) T X 2 Z Y (2) T 3 (3) S A (100%) sestava taline (20%B, 80%A) nominalna (izbrana) sestava (35%B, 65%A) sestava trdne faze (60%B, 40%A) sestava B (100%) Snov v točkah (1), (2) in (3) zakalimo in si jo ogledamo pod mikroskopom: (1) pori 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. amorfna snov (nastala iz taline) (2) polikristali Pod mikroskopom vidimo polikristale, ki so enaki kot so bili pri temperaturi T 2 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. amorfna snov (nastala iz taline) (3) elotna snov je polikristalinična. Sestava vsakega posameznega kristala je enaka povprečni sestavi, t.j. 35% B in 65% A.

58 DVOKOMPONENTNI FAZNI DIAGRAM 2. Popolna netopnost v trdnem 8 T Tališče(A) evtektična temperatura A + L E L L + B liquidus solidus S (A+B, ločeni fazi) Tališče(B) A (100%) evtektična sestava sestava B (100%) 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). Pomni: evtektična temperatura je nižja od temperature tališča katerekoli komponente oziroma celo najnižja temperatura, pri kateri preide vsa snov v tekočo fazo. Znan primer znižanja tališča v evtektični točki glede na tališče obeh komponent je keramika. Glavni komponenti: SiO 2 s tališčem1726 o in aluminijev oksid (Al 2 O 3 ) s tališčem 2054 o. V evtektični točki (pri sestavi okoli 5% Al 2 O 3 ) znaša tališče le 1587 o.

59 REALNI FAZNI DIAGRAM 3. Delna topnost v trdnem 9 T Tališče(A) L Tališče(B) evtektična temperatura α α+l E L+β S ( α+β, ločeni fazi) β A (100%) m1 evtektična sestava sestava m2 B (100%) α - trdna raztopina B v A β - 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) evtektična sestava - (30%B, 70%A)

60 REALNI FAZNI DIAGRAM 4. Dodatne invariantne točke 10 Nastanek nove spojine nova snov se obnaša kot komponenta nova snov nima točno določenega tališča - inkongruentno taljenje B3A

61 ŽELEZO IN JEKLA 1 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 ( 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 - jekla

62 Klasifikacija materialov: Youngov modul v odvisnosti od cene 2

63 Fe in JEKLA še nekaj o lastnostih 3 trdnost spreminjamo od 200 MPa MPa trdota se giblje od VN lahko kontrolirano spreminjamo magnetne lastnosti jekel lahko vplivamo na korozijsko odpornost jekel Gornje lastnosti so odvisne predvsem od mikrostrukture. Mikrostruktura pa je odvisna od sestave (% Fe, itd.) toplotne obdelave

64 FAZNI DIAGRAM ŽELEZO - OGLJIK (tališče: 1538 o ) 1495 o γ (avstenit) 906 o U % α (ferit) γ + L o 1227 o E L+ Fe γ + Fe o α + Fe 3 L Fe 3 (cementit)

65 KOMENTAR faznega diagrama železo - ogljik 5 - Čisto železo: mehek material, premehko, premalo korozijsko odporno za - pod 906 o tehnološko uporabo : -Fe ( ), telesno centrirana kocka - nad 906 o α ferit : -fe ( ), ploskovno centrirana kocka - nad 1400 o γ avstenit, δ-fe, spet tel. centr. kocka, tehnološko nepomembno - nad 760 o : 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) % : JEKLA b) % : LITO ŽELEZO

66 DELITEV JEKEL 6 avstenitna (kristalizirajo v γ obliki, do 2.11% ) (za stabilnost potrebni dodatki Ni) JEKLA feritna (kristalizirajo v α obliki, le do 0.02% ) (obstojna brez dodatkov, cenejša, slabša korozijska odpornost) Vprašanji: 1. Zakaj moramo avstenitnim jeklom dodajati Ni, da so obstojna pri sobni temperaturi? 2. TK ( α struktura) vsebuje 2 Fe atoma v eni osnovni celici, PK ( γ struktura) pa vsebuje 4 atome/celico. Zdi se, da je PK struktura bolj gosta. Kako je možno, da se v tej, navidez bolj gosti strukturi raztaplja več ogljika kot v TK?

67 REALNI FAZNI DIAGRAM 4. Dodatne invariantne točke 7

68 ZAKAJ OGLJIK SPREMENI LASTNOSTI Fe? 8 TK (ferit) PK (avstenit) 8x1/8 + 1 = 2 atoma/celico 8x1/8 + 6x1/2 = 4 atomi/celico tetraedrska praznina oktaedrska praznina x y Idealno: d a r = 5 R 3-1 = R(Fe) = nm r() = nm r R = a r R = 0.414

69 TUJI ATOMI/IONI V STRUKTURI POVZROČIJO 9 NAPETOST 2 1 M M V M 2- M i 3- T M 4- T i

70 OLAJANJE RAZLIČNI SESTAV VODI DO RAZLIČNI STRUKTUR (d) 10 γ γ + L L L (a) (c) A L A A temperatura α+ γ (b) A A γ + Fe 3 α F A A α + Fe 3 F P P P P A -avstenit ( γ) F -ferit ( α) P -perlit -cementit (Fe ) 3 sestava

71 11 VPLIV ITROSTI OLAJANJA NA STRUKTURO Evtektoidna reakcija: γ α + Fe 3 a) ohlajamo počasi: dobimo fino lamelno mikrostrukturo α α α PERLIT (krhek material, zlomi se v področju Fe ) 3 Fe 3 b) ohlajamo hitro (kalimo) γ martenzit - termodinamsko zelo nestabilna struktura - kinetično zelo stabilna struktura - 4x trši od perlita - krhek

72 MARTENZITNA TRANSFORMAIJA 12 Martenzitna transformacija: - ena najpomembnejših transformacij, s katerimi spreminjamo mehanske lastnosti kovin - je brezdifuzijska (atomi zadržijo iste sosede, sestava faz se ne spremeni) počasno ohlajanje γ α + Fe kaljenje martenzit popuščanje 3 Fe ena od oktaedrskih vrzeil nm nm nm nm nm nm avstenit ( γ) martenzit ferit ( α)

73 Lastnosti različnih faz 13 MEANSKE LASTNOSTI : FERIT je raztegljiv in ima nizko trdnost ( 310 MNm -2 ) AVSTENIT je raztegljiv, ima nekoliko višjo trdnost pri višjih T EMENTIT 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.

74 KAKO ITRO NASTANE NOVE FAZA? 14 KINETIKA PREODOV TEMPERATURA difuzija največja hitrost nukleacije produkt ( difuzija x nestabilnost) nestabilnost taline ITROST NUKLEAIJE TEMPERATURA hitrost rasti zrn celotna hitrost (produkt: nukleacija x hitrost rasti) nukleacija ITROST TRANSFORMAIJE

75 15 DIAGRAMI TTt (temperatura, transformacija, čas) 723 o Temperatura 1 min 1 ura 1 dan čas Polne črte prikazujejo, kako se s časom spreminja temperatura vzorca. Točka 1: dobimo grob perlit Točka 2: dobimo čisti martenzit Točka 3: dobimo fino zrnat perlit (bainit), lamele izginejo

76 TTt DIAGRAM ZA JEKLA 16 T/ M s γ (avstenit) I grobo zrnat perlit II fino zrnat perlit III perlit + bainit bainit končna trdota/rockwel IV martenzit sekunde minute ure čas 64 66

77 TOPLOTNE OBDELAVE JEKEL Difuzijsko žarjenje: (1100o o) a) odpravimo napake, železo se homogenizira b) slabost: ker zrna zelo zrastejo ( mikrometrov), so tolerance pri brušenju zelo velike 2. Normalizacija: izmenično spreminjamo T nad in pod 723o. PK TK zaradi neprestanih napetosti velika zrna popokajo 3. ementiranje: 0.1% (žilava sredica) srednji sloj (martenzit) zunanji sloj (nitrid - zelo tanek) 4. Obstaja še mnogo drugih načinov toplotne obdelave (martemperiranje, austemperiranje...)

78 SPLOŠNE ZNAČILNOSTI JEKEL IN ZLITIN Lastnosti jekel glede na vsebnost ogljika: a) nizkoogljična (do 0.25% ) so zelo žilava, mehansko manj trdna, dobra za obdelavo v hladnem b) srednjeogljična ( %) 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 r. Primer: nerjavno jeklo vsebuje 8% Ni in 18% r. 3. Litine a) bela (2.5%, tališče 1300o); trda in krhka b) sivo litino dobimo, če beli dodamo nekaj Si; 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.

79 19

80 ALUMINIJ 1 Drugi najpomembnejši konstrukcijski material zaradi: - visoke korozijske odpornosti - nizke gostote (2.7 g/cm 3 ) Pomanjkljivosti: a) nizko tališče (660 o ) b) mehek material c) trdnost z naraščanjem temperature hitro pada; uporaben je le pri sobni T. Čisti aluminij ima preslabe mehanske lastnosti. Struktura: PK. Možen je nastanek trdnih raztopin. Primeri: zlitine z bakrom, magnezijem, manganom, cinkom, silicijem. Za zlitine niso uporabni: Fe, krom, titan. 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 Uporaba: - konstrukcijski material (letala,vagoni, motorji, arhitektura ipd.) - pločevinke (problem strupenost -> plastificiranje) - folije (0.018 cm) - električni kabli (včasih nadomešča baker)

81 ALUMINIJ fazni diagram Al-u 2 T/ o A 500 κ o o D E(33.2) o 100 B Al(100%) u(100%) A B D trdna raztopina ni spremembe drobni izločki u ( izločevalno utrjevanje) aglomeracija - ponovno zmehčanje

82 BAKER 3 1. Ima odlično električno prevodnost (nizko upornost): kovina specifična upornost/ 10 6 Ωcm srebro 1.59 baker 1.67 aluminij 2.65 cink 5.92 nikelj 6.84 železo 9.71 svinec 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...

83 OSTALE KOVINE 4 INK Uporablja se za zaščito jekel (elektrokemijska zaščita). Uporablja se za tudi za dekoracijo (lepa površina) in v zlitinah (medenina). SVINE: akumulatorji, drugje uporaba pada (ekologija) KOBALT: v kombinaciji z W ---> vidija (zelo trd material); litijeve baterije NIKELJ, KROM: jekla

84 KOROZIJA 1 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

85 KOROZIJA KOVIN 2 Zakaj jeklo korodira? kos jekla kristali železovih oksidov (FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 ) atmosfera (N 2, O 2, 2 O...) razpoka (ni zaščite pred atmosfero) itrost korozije jekel v atmosferi: od 5-30 g/m 2 v 1 mesecu.

86 KOROZIJA KOVIN 3 Vprašanje: Zakaj aluminij ne korodira? PILLING-BEDWORTOV 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)

87 KOROZIJA OSTALI MATERIALOV 4 KOROZIJA BETONA Delimo na: - korozijo jeklene armature (premajhna zbitost betona) - korozijo mineralov v betonu (minerali reagirajo s kislinami ali solmi iz okolice) Zaščita betona pred korozijo 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.

88 PREPREČEVANJE KOROZIJE KOVIN 5 ZAŠČITA PRED KOROZIJO 1. Prevleke a) nekovinski premazi (oksidi, organske snovi...) b) kovinske prevleke - katodne (zlato, srebro, nikelj, krom itd.) c) kovinske prevleke - anodne (cink) S prevlekami pod 1a) in 1b) mehansko ločimo jeklo od okolice in s tem preprečimo korozijo. Vprašanje: kaj se zgodi, če prevleka razpoka? S prevleko pod 1c) elektrokemijsko zaščitimo jeklo. Zaščita korodira, jeklo pa ostane praktično nedotaknjeno. Vprašanje: kaj se zgodi, če razpoka elektrokemijska prevleka? 2. Zaščita jekel z oplemenitenjem (legiranjem) a) na površini zlitine nastane zvišana koncentracija bolj obstojne kovine (na primer r) b) spremenijo se mehanske in/ali električne lastnosti oksidov na površini (dodatek fosforja, bakra...) 3. Katodna zaščita Jeklo vežemo v tak elektrokemijski člen, da jeklo predstavlja katodo - to pomeni, da se železo ne raztaplja več (ne korodira).

89 KERAMIKA-uvod 1 a) krhki materiali b) temperaturno zelo obstojni c) večinoma sestavljeni iz oksidov Delitev groba keramika (ali tradicionalna ali velikotonažna): opeke, porcelan, ploščice itd. fina keramika za posebne namene: kondenzatorji - BaTiO 3, feriti - Fe 3 O 4, varistorji - ZnO + TiO 2, upori.

90 KERAMIKA-sestava, struktura 2 Osnovna gradiva v tradicionalni keramiki: 1. Glina 2. Talilo 3. Pustilo (kremen = SiO 2 ) Običajna sestava keramike: 50 % gline 25 % talila 25 % kremena (pustila) Glina: je iz alumosilikatnih materialov (Al 2 O 3 + SiO 2 ). r(si) SiO 2 : r(o) = 0.29 (tetraedrska koordinacija) O Si O O O 4- SiO 4 6- Simbol: Primer : = Si 2 O 7

91 3 veriga 4- (Si 2 O 6 ) n dvojna veriga 6- (Si 4 O 11 ) n plastovit silikat 2- (Si 2 O 5 ) n tridimenzionalni silikat (SiO 2 ) n

92 KERAMIKA-sestava, struktura 4 Struktura tipičnega materiala v glini - kaolinita. (kaolinit je hidratiziran alumosilikat) 2- Plast anionov (Si 2 O 5 ) Al 2(O) 2+ 4 itd. Plast kationov 2- Si 2 O 5 Al 2(O) 2+ 4 = Al O 2SiO 2 O KAOLINIT Al O 2SiO - kaolin Vloga pustila (običajno kremen): prepreči drsenje kationskih in anionskih plasti v kaolinitu Talilo: alkalijski silikati

93 DEJANSKA STRUKTURA KAOLINITA 5 O - Al 3+ O 2-, 2 O- Si 4+ O 2- Tloris posameznih plasti: 6 O - 4 Al 3+ 4 O 2-, 2 O- 4 Si 4+ 6 O 2-

94 KERAMIKA-priprava 6 A) Izbor sestave in mletje (ali homogenizacija) - Kremen zmeljemo v krogelnih mlinih: osnovna sestava + voda mlevna telesa pogonska kolesa - Rezultat mletja: suspenzija (voda, glina, talilo in kremenov pesek) - Suspenzija mora biti stabilna (ne sme se posesti)

95 KERAMIKA-priprava 7 B) Vlivanje v kalupe - Iz gipsa (aso ) naredimo odlitke 4 gips (aso4 0.52O) leseni del prerežemo na 2 polovici sčasoma se na stenah nabira trdna snov preostanek izlijemo Vlivanje se uporablja za zapletene oblike.

96 KERAMIKA-priprava 8 ) Izdelava preprostejših oblik (ploščice). - suspenzijo posušimo v razpršilnem sušilniku SUSPENZIJA luknjice kapljice lebdijo v zraku (ko so kroglice dovolj velike, padejo na tla - dobimo granulat) vroč zrak

97 KERAMIKA-končna obdelava 9 - stiskanje ρ pri iztisku se vzorec razširi tlak/mpa Segrevanje: material se najprej širi, nato zelo skrči. ZAKAJ? (kapilarne sile, vloga talila...) 0.2 l l 0 talilo se stali T/ 0

98 POLIMERNI MATERIALI 1 Makromolekule: molekule z velikim številom gradnikov (atomov, ionov...). Polimeri: zgrajeni so iz takih makromolekul, v katerih se določena strukturna enota (iz majhnega tevila gradnikov) velikokrat ponovi. mer : strukturna enota polimerov Meri so med seboj povezani s kovalentnimi vezmi, posamezne molekule pa s sekundarnimi kemijskimi vezmi (van der Waalsova, vodikova vez ipd.). Molekule polimerov običajno vsebujejo med 1000 in gradnikov. Kopolimer: polimer, sestavljen iz dveh ali več različnih monomerov.

99 2 Osnovni pojmi F F F F F l F l F l F l F l F F F F F F F F F F F a) b) c) n=3 n=4 n=4 a) b) A B A B A B A B A B A B A B A B A B B A B A B B B A A B A A B A A B B B B B B B A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B a) b) c) d) A - monomer 1 B - monomer 2

100 3 DELITEV GLEDE NA OBLIKO l a) b) c) linearni razvejani zamreženi

101 4 Primer nastanka polimera: verižna polimerizacija O O O O O O O O + + radikal iniciatorja monomer nov radikal ZAČETEK RAST KONE

102 Struktura polimerov 5 a) b) prej R potem a) b) R

103 6 Obdelava-vulkanizacija S S monomer

104 Primeri duroplastov (duromerov) 7 Ime polimera Monomer Uporaba Aminoplasti N O N 2 O N O N lepila v lesni industriji, impregnacija in obdelava papirja, tekstila, usnja, laki, barve, stikala, pene za izolacijo Fenolformaldehidne smole O O O vtičnice, telefoni, volani, držala, veziva za vezane plošče in laminate, pene za izolacijo, plošče za tiskano vezje 2 Epoksidne smole O l O O laki za antikorozivno zaščito avtomobilov, notranja prevleka pločevink, dvokomponentna lepila (Araldit, UU), veziva, laminati, konstrukcije 3 Poliuretani (tudi termoplasti) ON - R 1 - NO + O - R 2 - O pene, elastomeri, vlakna 3 Silikoni l Si l l lepila, elastomeri, hidravlične tekočine, emajli 3 O Si O O

105 Termoplasti (palstomeri) 8 Ime polimera Monomer Uporaba Polietilen filmi, vlakna, niti, posode, sodi, steklenice, cevi, pipe, prevleke žic in kablov, pene, voski, termolepila Polivinil klorid l gradbeništvo, talne obloge konstrukcije (fasade, okna, rolete, strehe), pakiranje, električne izolacije, igrače Polipropilen 3 ohišja za TV, zaboji, letalska, avtomob. oprema, medicinski pribor (steklenice), plošče, folije, filmi, vlakna, cevi Polistiren pakiranje, deli elektr. aparatov, notranjost hladilnikov, telefoni, deli sesalcev, izolatorji, nosilci tuljav, ohišja za ure, fotoaparate Politetrafluoroetilen (teflon) F F F F cevi, obloge, črpalke (odporne proti kemikalijam), ležaji, tesnila, protetika, vesoljska tehnika, elektroizolacija, obloge posod 3 Polimetakrilat OO 3 organsko steklo (reklame, ure, aparati), zobna protetika, obloge v gradbeništvu, cevi

106 Termoplasti- nadaljevanje 9 Ime polimera Monomer Uporaba Polikarbonati 3 R 1 O O R 2 O 3 strešni elementi, zasteklitev, armaturne plošče v avtu, v fotografski tehniki, releji, v medicini N akrilonitril (graft) ABS butadien (veriga) stiren (graft) ohišja aparatov, telefoni, sesalci za prah, kopirni stroji, dia projektorji, fotoapatrati, magnetofoni, gramofoni, avtomobilski deli, obloge v avtobusih, vlakih, letalih, igrače, kovčki Poliestri O O O O O O magnetni trakovi, vlakna, filmi Nylon (poliamidi) N ( ) 26 N O O ( ) 24 O O tekstilna vlakna (Nylon, Perlon), konstrukcije, nova vlakna (Kevlar), deli strojev, avtomobilov

107 Mehanske lastnosti t 1 ~as t 2 t 1 čas t 2 t 1 ~as t 2 čas 10 Raztezek Raztezek Viskozni tok Elastični raztezek konec m.o. začetek meh. obremenitve konec meh. obremenitve za~etek meh. obremenitve konec meh. obremenitve začetek meh. obremenitve konec meh. obremenitve a) b) c) d) γ 3 γ 3 γ 2 t γ t v 2 γ A 1 γ1 začetek meh. obr.

108 Viskoelastični modul za različne primere 11 KRKO ŽILAVO MEKO Viskoelastični modul (logaritemska skala) togo usnjato gumasto viskozno d) c) b) a) T g temperatura T m