Σεμινάριο Φυσικής. Ενότητα 5. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Transcript

1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σεμινάριο Φυσικής Ενότητα 5 Γεωργακίλας Αλέξανδρος Ζουμπούλης Ηλίας Μακροπούλου Μυρσίνη Πίσσης Πολύκαρπος

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

3 Ατέλειες διεπιφανειών σε ετεροδομές ή πολυκρυσταλλικά υλικά και συνέπειες στη σταθερότητά τους Δήμητρα Κάντα Καρίμ Καντρέ

4 Κρυσταλλικές ατέλειες ιδανικός κρύσταλλος: Άπειρη* τρισδιάστατη επανάληψη πανομοιότυπων μονάδων (άτομα ή μόρια) *άπειρη εννοώντας μεγάλος λόγος του όγκου του κρυστάλλου προς τη μοναδιαία κυψελίδα πραγματικοί κρύσταλλοι: α)έχουν πεπερασμένο μέγεθος β)ατέλειες (γραμμικές ή μονοδιάστατες) γύρω από τις οποίες μερικά άτομα είναι αποπροσανατολισμένα

5 Εικόνες 1α-1δ: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Σημειακές Ατέλειες Κενές θέσεις Ενδοπλεγματικές ατέλειες Προσμίξεις

6 Γραμμικές Διαταραχές 2 Βασικά είδη: α) διαταραχές ακμής β) ελικοειδείς διαταραχές Οι περισσότερες διαταραχές των κρυσταλλικών υλικών παρουσιάζουν συστατικά και των δύο παραπάνω τύπων (μεικτές)

7 Διαταραχές Ακμής Η διαταραχή ακμής δημιουργείται με την παρεμβολή ενός επιπλέον κρυσταλλικού επιπέδου στην κρυσταλλική δομή όπως φαίνεται στο σχήμα. (5 η στήλη) Η άκρη του κρυσταλλικού αυτού επιπέδου στο εσωτερικό του κρυστάλλου ονομάζεται γραμμή διαταραχής και στην περιοχή γύρω από αυτήν παρατηρείται παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος

8 Ελικοειδείς Διαταραχές Αλλάζει ο χαρακτήρας των ατομικών επιπέδων Τα επίπεδα δεν υφίστανται πλέον ξεχωριστά το ένα από το άλλο Σχηματίζουν μια ενιαία επιφάνεια, σαν κοχλία που συστρέφεται ελικοειδώς από τη μια μεριά του κρυστάλλου μέχρι την άλλη Είναι το αποτέλεσμα διατμητικών τάσεων Εικόνα 2: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

9 Πλαστική Παραμόρφωση Κίνηση μεγάλου αριθμού διαταραχών Διαταραχή ακμής κινείται υπό την επίδραση μιας διατμητικής τάσης (διεύθυνση κάθετη προς την γραμμή της) Το πρόσθετο ημιεπίπεδο μπορεί να προκύψει από την δεξιά επιφάνεια του κρυστάλλου σχηματίζοντας ένα άκρο με εύρος μιας ατομικής απόστασης Η διαδικασία με την οποία παράγεται η πλαστική παραμόρφωση ονομάζεται ολίσθηση Εικόνα 3: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

10 Διεπιφανειακές ατέλειες Όρια δύο διαστάσεων τα οποία διαχωρίζουν περιοχές των υλικών που έχουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές ή/και κρυσταλλογραφικούς προσανατολισμούς

11 Διεπιφανειακές ατέλειες Διαχωριστικά όρια κόκκων Διδυμίες Μικρορωγμές Ατέλειες όγκου Σφάλματα Συσσώρευσης

12 Κόκκοι Τα πολυκρυσταλλικά στερεά αποτελούνται από έναν αριθμό μικρών μονοκρυστάλλων που ονομάζονται κόκκοι Μέγεθος από nm μέχρι mm Οι προσανατολισμοί των ατομικών επιπέδων ποικίλουν και εξαρτώνται από τους γειτονικούς κόκκους

13 Διαχωριστικά όρια κόκκων Διεπιφανειακές ατέλείες που χωρίζουν τις περιοχές των κόκκων Περιοχές πιο αραιά και ακανόνιστα δομημένες σε σύγκριση με το εσωτερικό των κόκκων Είναι αποτέλεσμα ανομοιόμορφης ανάπτυξης κατά την κρυσταλλοποίηση

14 Επικλινή διαχωριστικά όρια κόκκων Δυσαρμονία στον προσανατολισμό μεταξύ 2 γειτονικών διαχωριστικών ορίων κόκκων Μπόρουμε να περιγράψουμε αυτά τα όρια ως παρατάξεις διαταραχών (η μια δίπλα στην άλλη)

15 Διδυμίες Διδυμία είναι η συνύπαρξη δυο τέλειων κρυστάλλων με κάποια γωνια μεταξύ των κρυσταλλογραφικών τους προσανατολισμών. Υπάρχει κατά μήκος του ορίου (που είναι επιφάνεια) κατοπτρική συμμετρία Δεν υφίσταται περιοχή διαταραχής και τα άτομα που βρίσκονται στο όριο μπορεί να θεωρηθούν ότι ανήκουν στις κρυσταλλικές δομές και των δύο περιοχών της διδυμίας Προκύπτουν α)από ατομικές μετατοπίσεις που παράγονται από εφαρμογή μηχανικών διατμητικών δυνάμεων β)κατά τις θερμικές κατεργασίες ανόπτησης, οι οποίες συνοδεύονται και από παραμορφώσεις

16 Μικρορωγμές Συμβαίνουν όταν οι εσωτερικοί δεσμοί που έχουν σπάσει δημιουργούν νέες επιφάνειες Μέγεθος περίπου 10 μm Η περιοχή κατά μήκος της οποίας οι δεσμοί έχουν σπάσει είναι γνωστή ως διαχωριστικό επίπεδο Σχηματισμός από τριβή με τα σωματίδια σκόνης που εισάγονται συνήθως στα στάδια κατεργασίας και παραγωγής

17 Ατέλειες όγκου Κενά-απουσία ατόμων που σχηματίζουν εσωτερικές επιφάνειες στον κρύσταλλο Παρόμοιες ιδιότητες με τις μικρορωγμές εξαιτίας των αιωρούμενων δεσμών στην επιφάνεια

18 Σφάλμα συσσώρευσης Ένας άλλος τύπος επιφανειακής ατέλειας μέσα στα πλέγματα είναι ένα σφάλμα συσσώρευσης (stacking fault) όπου υπάρχει κάποιο λάθος στην ακολουθία των ατομικών επιπέδων

19 Συνέπειες στις ιδιότητες των υλικών Οι ατέλειες διεπιφανειών λειτουργούν σαν διαδρομές για τα άτομα ώστε να διαχέονται μέσα στο υλικό και να διαχέουν το φως που περνά μέσα από διαφανή υλικά κάνοντάς τα αδιαφανή

20 Συνέπειες στις ιδιότητες των υλικών Στα μέταλλα Οι διδυμίες δημιουργούν «υλικά με μνήμη σχήματος» (shape memory metals) Εμφανίζουν μια ασυνήθιστη ιδιότητα να «θυμούνται» το σχήμα που είχαν αρχικά σε υψηλή θερμοκρασία Αλλαγή φάσης στερεάς κατάστασης κατά την οποία τα άτομα αναδιατάσσονται, αλλά δεν αλλάζει η σύσταση του υλικού. Τα υλικά αυτά «διδυμοποιούνται» και όταν αλλάζουν σχήμα «αποδιδυμοποιούνται» (Untwin). Σε υψηλή θερμοκρασία επιστρέφουν σε σχηματισμό διδυμίας και στο αρχικό τους σχήμα

21 Συνέπειες στις ιδιότητες των υλικών Το μέγεθος των κόκκων μπορεί να ελεγχθεί με τον ρυθμό ψύξης όταν το δείγμα είναι προϊόν τήξης Η γρήγορη ψύξη παράγει μικρότερους κόκκους ενώ η αργή ψύξη παράγει μεγαλύτερους κόκκους Στα μέταλλα Σε θερμοκρασία δωματίου οι μεγάλοι κόκκοι εχουν αποτέλεσμα χαμηλή αντοχή, και ολκιμότητα Γενικά η θέρμανση προκαλεί στα άτομα την τάση να πάρουν τις σωστές τους θέσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα, μειώνοντας τον αριθμό των ορίων κόκκων και κάνοντας το υλικό πιο μαλακό. Αν σφυρηλατηθεί το υλικό μετά την ψύξη δημιουργούνται πολλοί μικροί κόκκοι και άρα γίνεται πιο σκληρό.

22 Συνέπειες στις ιδιότητες των υλικών Στα κεραμικά Κάθε ατέλεια στο πλέγμα ενός υλικού διαταράσσει την κίνηση της διαταραχής ή με άλλα λόγια κάνει την ολίσθηση πιο δύσκολη Αυτό περιλαμβάνει τις σημειακές ατέλειες, τις ατέλειες διεπιφανειών και άλλες διαταραχές Η κίνηση των διαταραχών παράγει περισσότερες διαταραχές, κάτι που εμπόδίζει την κίνηση άλλων διαταραχών και αυξάνει την δύναμη που απαιτείται για να κινηθεί (αυξάνοντας την αντοχή του υλικού) Άρα επειδή τα όρια κόκκων είναι περιοχές που τα άτομα δεν έχουν καλή επαφή μεταξύ τους και η ολίσθηση είναι δύσκολη, τα πολυκρυσταλλικά με πολλές τέτοιες ατέλειες γίνονται πιο σκληρά αλλά γίνονται τα κεραμικά πιο εύθραυστα λόγω των έντονων τάσεων στις διεπιφάνειες.

23 Yπερπλαστικότητα Στα πολυμερή Ιδιότητα κατά την οποία τα πολυκρυσταλλικά υλικά εμφανίζουν εξαιρετικά μεγάλες επιμηκύνσεις υπό τάση,γίνονται σαν πλαστελίνη. Το υλικό παραμορφώνεται 200% παραπάνω κατά τη διάρκεια εφελκυστικής παραμόρφωσης Η υπερπλαστική παραμόρφωση στηρίζεται στην ατομική διάχυση και την ολίσθηση των κόκκων μεταξύ τους

24 Υπερπλαστικότητα Ολίσθηση μικρής τάσης κατά μήκος των διεπιφανειακών ορίων κόκκων Το μεγεθος των κόκκων λιγότερο από 20μm Λεπτή διασπορά των θερμικά σταθερών σωματιδίων ώστε να ορίζουν τα διαχωριστικά όρια των κόκκων και να διατηρούν τη λεπτή δομή κόκκων στις υψηλές θερμοκρασίες και την ύπαρξη δύο φάσεων που απαιτούνται για υπερπλαστική παραμόρφωση

25 Υπερπλαστική παραμόρφωση αλουμινίου. Για να κατανοήσει κανείς τους μικρομηχανισμούς της υπερπλαστικής παραμόρφωσης πρέπει να γνωρίζει τη δύναμη/τάση που απαιτείται ώστε να έτσι ώστε να ολισθαίνει το αλουμίνιο κατά μήκος της ατέλειας. Η τάση δε μετράται πειραματικά, παρά μόνο με υπολογιστικές μεθόδους οι οποίες ρίχνουν φως σ αυτή τη σημαντική ιδιότητα. Τέτοια κατάσταση επιτυγχάνεται συνήθως σε υψηλή ομόλογη 9 θερμοκρασία συνήθως μισή της θερμοκρασίας του σημείου τήξης Εικόνα 4: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

26 Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

27 Συνέπειες στις ιδιότητες των υλικών Μικρορωγμές: σημαντικές για τον καθορισμό του τρόπου, και του σημείου που ένα στερεό μπορεί να σπάσει, είναι λοιπόν σημαντικό να έχουμε όσο λιγότερες γίνεται στα κεραμικά.

28 Συνέπειες στα μέταλλα Κρυσταλλικές ατέλειες κέντρα σκέδασης των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας Η αύξηση του αριθμού τους επιφέρει αύξηση της ειδικής αντίστασης και μείωση της αντίστασης στη διάβρωση Η συγκέντρωση των ατελειών εξαρτάται από α)την θερμοκρασία β)την σύνθεση γ)τον βαθμό ψυχρηλασίας του μεταλλικού δοκιμίου Η συνολική ειδική αντίσταση των μετάλλων είναι το άθροισμα των συνεισφορών των θερμικών δονήσεων, των προσμείξεων και της πλαστικής παραμόρφωσης Οι μηχανισμοί σκέδασης δρουν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο

29 Βιβλιογραφία ne/crystalline.htm (ορισμοί και φωτογραφίες) «Επιστήμη και τεχνολογία των υλικών», William D. Callister η θερμική κατεργασία στην οποία υποβάλλεται ένα μέταλλο ή κράμα, που έχει υποστεί κάποια κατεργασία π.χ. σφυρηλάτηση ή ενδοτράχυνση, προκειμένου στη συνέχεια υποβαλλόμενο σε ψύξη βελτιωθεί η ευκαμψία του και γίνει λιγότερο εύθρυπτο. Κατά την ανόπτηση το υλικό θερμαίνεται μέσα σε ειδικό κλίβανο, ("κλίβανος ανόπτησης"), σε υψηλή θερμοκρασία ( C) για κάποιο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια ψύχεται αργά για αρκετές ώρες, σε θερμοκρασία δωματίου έτσι ώστε να εξαλειφθούν οι υπολειπόμενες εσωτερικές τάσεις (Information provided by: ( Η ομόλογη θερμοκρασία εκφράζει τη θρμοκρασία ενός υλικού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας τήξης του στην κλίμακα Κέλβιν. Παραδείγματος χάριν, η ομόλογη θερμοκρασία του μολύβδου είναι περίπου 0.50 (T H = T/T mp = 298K/601K = 0.50). (πηγή: Crystal Defects, Leonid V. Zhigilei, Department of Materials Science and Engineering University of Virginia

30 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.