Kemi Och Material

Front 1

Vad beror fasta materials egenskaper på

Back 1

Materialets kemiska sammansättning och mikrostruktur

Front 2

Klassificera fasta material

Back 2

Aerospace, biomedical, electronic materials, energy and environmental tech, magnetic materials, potical materials, smart materials. structural

Front 3

Starka material, högt till lågt

Back 3

Metals and alloys, composites, ceramics, polymers

Front 4

Vad beror egenskaperna till stor del av i ett material

Back 4

Kemiska bindingen i materialet

Front 5

Hur beror de mekaniska egenskaperna mot temperatur

Back 5

De mekaniska egenskaperna är starkt temperaturberoende

Front 6

Vilka längdskalor används

Back 6

Atomär 0,1-1nm, nano 1-100nm, mikro 0,1-100mikrometer, makro >100mikrometer

Front 7

Beskriv valensbandet

Back 7

För att förstå hur ett band bildas kan man utgå från n st atomer som ligger på en linje.Anta att varje atom har en s-orbital som överlappar med s-orbitalerna på de närmaste grannarna.Då bildas 2n molekylorbitaler. Molekylorbitalen med lägst energi (mest bindande) har inga noder medanmolekylorbitalen med högst energi (mest anti-bindande) har flest noder

Front 8

Beskriv valensbandet2

Back 8

Om n är mycket stort bildas ett mycket stort antal energinivåer som ligger mycket nära varandra. Ett band består av ett mycket stort antal energinivåer som bildar ett kontinuum. s, p, d och f orbitaler kan bilda band.

Front 9

Metallbindning

Back 9

Katjoner i ett hav av valenselektroner, bindningen ej riktingsberoende, ger tätpackning av atomer.

Ger typiska metallegenskaper: elektronledning, duktilitet, metallglans

Front 10

Kovalent bindning

Back 10

Valenselektroner delas mellan atomer, riktade bindning som verkar över korta avstånd ger låg packningsgrad

Typiska egenskaper för kovalent bundna material: hårda ock sköra, elektriska isolatorer eller halvledare

Front 11

Jonbindning

Back 11

Uppstår när atomerna har mycket olika elektronegativitet, jonbindningar är inte riktade och verkar över relativt stora avstånd. Jonbindning ger mekaniska och elektriska egenskaper som liknar de kovalent bundna materialen

Front 12

Avgörande för materialegegnskaper för fasta ämnen

Back 12

I fasta ämnen som består av diskreta molekyler (t.ex. is, termoplaster, lipider)är bindningen mellan molekylerna avgörande för materialegenskaperna

Front 13

Vad beskriver elasticitetsmodulen E (Youngs modul)

Back 13

Beskriver förhållandet mellan mekanisk last och deformation

Elastitetsmodulen för ett material beror på hur starka bindningarna är imaterialet och motsvaras av lutningen av kraft/ bindningsavstånd- kurvan

Front 14

Allotropi

Back 14

Ett fast grundämne som kan ha flera olika strukturer(Motsvaras av Polymorfi hos fasta föreningar)

Front 15

Närordning/fjärrordning

Back 15

Med Närordning menas hur atomerna ellermolekylerna koordinerar till sina närmaste grannar. Fjärrordning i ett material innebär att atomer och molekylerbildar ett tredimensionellt repetitivt mönster. Närordning finns i alla fasta ämnenFjärrordning finns endast i kristallina ämnenIcke-kristallina fasta material kallas glaser (bara närordning)

Front 16

Kristallina material består vanligtvis av mångasmå kristaller eller korn. Vad kallas de.

Back 16

Sådana material kallas polykristallina.

Front 17

Vad är korngränserna i ett polykristallint material är viktiga för.

Back 17

De mekaniska egenskaperna. Vissa material tillverkas i enkristallin form för specifika tillämpningar,t.ex. inom elektronik (kisel för halvledare)

Front 18

Hur kännetecknas kristallina ämnen.

Back 18

Kristallina ämnen kännetecknas alltså av en hög grad av ordning =exakt samma arrangemang av atomer återupprepas genom hela kristallen

Front 19

Förklara enhetscell

Back 19

För att beskriva hur atomerna är ordnade i en kristall behöver man identifieraden minsta unika enheten i atom-arrangemanget( = den minsta enhet som krävs för att bygga upp hela kristallen)Denna unika enhet kallas Enhetscell (unit cell)

Front 20

Vilka enhetsceller är möjliga

Back 20

T.ex. är kvadrater, rektanglar, trianglar och hexagoner O.K. men cirkulära skivor,ellipser och 5-hörningar funkar inte!

Front 21

Tredimensionella enhetsceller måste ha någon av följande symmetrier:(=de sju kristall-systemen)

Back 21

Kubiska, alla enhetscellens kanter är lika långa (a=b=c), alla vinklar (a=b=g) =90o

Tetragonala, två av enhetscellens kanter är lika långa a=b, alla vinklar (a=b=g) =90o

Hexagonala, två av enhetscellens kanter är lika långa a=b, a=120, b=g =90o

Romboedriska alla enhetscellens kanter är lika långa (a=b=c), a=b=g ≠90o

Ortorombiska alla enhetscellens kanter är olika långa alla vinklar (a=b=g) =90o

Monoklina alla enhetscellens kanter är olika långa två vinklar 90o

Triklina alla enhetscellens kanter är olika långa alla vinklar olika och ≠ 90o

Front 22

De sju kristallsystemenger upphov till 14olika typer avenhetsceller,= 14 Bravais-gitter

Back 22

Viktigast: De tre översta!

Front 23

De flesta metaller kristalliserar i något av följandekristallsystem:

Back 23

Rymdcentrerat kubiska kallas bcc (8-koordination)

Ytcentrerat kubiska kallas fcc eller ccp (tätpackning = 12 koordination)

Hexagonala kallas hcp (tätpackning = 12 koordination)

Front 24

Förhållande mellan gitterparametrar och atomradieri de tre kubiska kristallsystemen

Back 24

Primitiv kubisk a0=2r

Rymd-centrerad kubisk sqrt(3)*a0=4r

Yt-centrerad kubisk sqrt(2)a0=4r

Front 25

Hålrum

Back 25

SC: cubic

BCC: Octahedral, tetrahedral

FCC: octahedral, tertahedal

ta bort eller gör om kort

Front 26

Fördelar med SEM

Back 26

Resolution

Depth of focus

Chemical analysis

Front 27

Tre analysdelar av SEM

Back 27

Secondary electrons

Backscattered electrons

Electron-excited characteristic X-rays

Front 28

Läs frågor om SEM/XRD i labbhandledning

Back 28

GÖR DET NU!

Front 29

Defekter

Back 29

Alla kristaller innehåller felställen = avvikelser frånden perfekt ordnade kristallstruktur som beskrivs avenhetscellen. Dessa felställen kallas defekter

Defekterna har ofta en avgörande betydelse förmaterialens egenskaper

Front 30

Två typer av defekter

Back 30

Det finns både punktdefekter och utsträckta defekter(= extended defects som är 1, 2 eller 3 dimensionella)

Front 31

Främmande atomer som defekt

Back 31

Defekter i rena, stökiometriska kristallina ämnen =intrinsiska defekterDefekter som beror på främmande atomer och ickestökiometri= extrinsiska defekter

Front 32

Punktdefekter

Back 32

Defekter i jonkristaller måste uppfylla elektro-neutralitetsvillkoret!D.v.s. positiva och negativa laddningar skall ta ut varann

Front 33

Alla kristaller innehåller vakanser!Varför uppstår de?

Back 33

Bildningen av vakanser är spontan (=termodynamiskt tillåten)eftersom de ökar materialets entropi (∆S(vakans) >0)

För varje kristallint ämnefinns en jämviktshaltav intrinsiska punktdefektersom beror av temperaturen T

Konfigurationsentropi:S = kB lnW

W= antalet möjligakonfigurationer (tillstånd)

Front 34

Dislokation

Back 34

Dislokationer = linjedefekter

Dislokationer har avgörande betydelse fördeformation av material

Front 35

Kantdislokation

Back 35

Ett atomplan som ”slutar” inne i kristallen genereraren kantdislokation (edge dislocation)

Front 36

Förklara glid!

Dislokationer har avgörandebetydelse när material deformeras!

Back 36

Glid underlättas om glidplanets atomer ligger nära varann(dislokationerna rör sig lättast längs tätpackade atomplan)Glid är lätt (=dislokationerna rör sig lättast) i metaller eftersom bindningarna inte är riktadeoch eftersom alla atomer är ”lika”Glid är svårt i kovalenta föreningar eftersom bindningarna är riktadeGlid är svårt i jonföreningar eftersom jonerna har olika laddning

Front 37

Stress/spänning

Back 37

Front 38

Strain/töjning

Back 38

Front 39

Elasticitetsmodulen

Back 39

Elasticitetsmodulen E är ett mått påden kraft som krävs för att flytta enatom från sitt jämviktsläge i kristallen.

Front 40

Elastic Deformation

Back 40

Elastisk deformation•Atomerna behåller sina gitterplatser•Avståndet mellan atomerna förändras•Deformationen av gittret ärproportionell mot den pålagda kraften•Reversibel process

Front 41

Plastic Deformation (Metals)

Back 41

Plastisk är permanent

Front 42

Burgers vektor

Back 42

Kant dislokation:Burgers vektor loträttdislokationslinjen

Front 43

Screw Dislocation

Back 43

Screw dislocation:– Burgers vektor - parallel med dislokations linjen

Front 44

Dislocation Motion

Back 44

Produces plastic deformation,

• Depends on incrementally breaking bonds

If dislocations don't move, plastic deformation doesn't happen!

Front 45

Motion of Edge Dislocation

Back 45

• Dislocation motion requires the successive bumpingof a half plane of atoms

• Bonds across the slipping planes are broken andremade in succession.

• The (plastic) permanent deformation of most crystallinematerials is by dislocation movement.

• Most metals contain some dislocations that were introducedduring solidification, plastic deformations, and rapid cooling(thermal stresses).

• To deform plastically means to slide atomic planes past eachother. (Physically change dimensions)

Front 46

Dislocations

Back 46

• The strength of a material with no dislocations is 10-100 times greater than the strength of a material witha high dislocation density.

• Materials with a very low dislocation density may bevery strong, but are brittle and cannot be deformed.(Low strain to failure)

• The dislocations may weaken a material, but theymake plastic deformation possible.

Front 47

Duktilitet

Back 47

Duktilitet:

materialets förmåga att deformerasplastiskt utan att brista. Den töjningmaterialet tål innan brott.

Front 48

Seghet

Back 48

Segheten är ett mått på materialets förmåga att absorbera energi fram tillbrott (arbetet som krävs för att uppnå brottsgränsen)

Arean under töjnings-spännings kurvan är ett mått på segheten

Front 49

Segt brott

Back 49

Sker genom plastisk deformation genom glidning. Ökasbelastningen fortsätter deformationen till brott→ kraftig plastisk deformation före och under brottetkräver kontinuerlig tillförsel av energi

Front 50

Sprött brott

Back 50

mycket liten plastisk deformationHög utbredningshastighetKlyvbrott med klyvriktningen normalt mot belastningenEn spröd spricka kan växa utan energitillförselSvårkontrollerad, vållar ofta haveri

Front 51

Hur många glidsystem finns det

Back 51

Antalet glidplan*antalet glidriktningar=antalet glidsystemet

Front 52

Strukturoberoende egenskaper

Back 52

Strukturokänsliga, bindningsberoende egenskaper

Dessa beror direkt av bindningarna mellan atomerna och är därförokänsliga för ändringar i materialets mikrostruktur (och bearbetning)

Dessa strukturokänsliga egenskaper står i direkt relation till varandra:

Hög bindningsenergi

Hög smält punkt

Hög elasticitets modul

Liten värmeutvidgning

Hög teoretisk hållfasthet

Front 53

Strukturberoende egenskaper

Back 53

Strukturkänsliga, mikrostrukturberoende egenskaper Dessa beror av defekter, kornstorlek etc. och är därför känsliga förändringar i materialets mikrostruktur (och bearbetning)

Sträckgräns (hållfasthet) Duktilitet (förlängning)

Utmattningshållfasthet (cyklisk belastning)

Seghet (arbete innan brott)

Front 54

Hårdhet

Back 54

motsvarar förmågan hos ett material att motstå intryckning av en annan, hårdare, kropp.

Front 55

Härdning av metaller

Back 55

Härdning av metaller syftar till att minska materialetstendens att deformera plastiskt. Detta åstadkoms genomatt på olika sätt försvåra dislokationernas rörelse.

• Korngränshärdning

• Partikelhärdning

• Lösningshärdning

a. interstitiella lösningar

b. substitutionella lösningar

• Deformationshärdning

Front 56

Blandning av två metaller

Back 56

En blandning av två metaller kallas binär legering ochär ett 2 komponent system. Varje legeringselementkallas komponent

Fas: en del av systemet med homogensammansättning och egenskaper

Front 57

Gibbs fas regel

Back 57

2+C=F+P

C= antal komp.

F=frihetsgrader

P=antal faser

om trycket konstant,1+C=F+P

Bara rena material har en smältpukt

Front 58

Eutektiska system

Back 58

• Vanligt för binära system

• Legeringar för löd material