Transcript Presentation3

UNIVERSITATEA TEHNICĂ
DIN CLUJ NAPOCA
CURS 3
STRUCTURA CRISTALINĂ A
MATERIALELOR
Reţele cristaline
Indicii Miller
Cristale reale. Defecte
Mecanisme de deformare
FACULTATEA DE INGINERIA
MATERIALELOR SI A MEDIULUI
BODEA MARIUS
CURS DE MATERIALE - I
Young's Modulus - Density
Strength - Cost
1.
2.
3.
4.
5.
Ceramics and glasses have
directional covalent bonds.
They are weak in tension
because they are sensitive to
small cracks or flaws.
Metals do not have
directional bonds and have
similar tensile and
compressive properties
Cellulose microfibres make
wood strong in tension along
the grain
Alloys are much stronger
than pure metals
Metals can be strengthened
by heat treating to change
the microstructure
Strength - Elongation
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Ceramics have very low
elongations (<1%) because
they can not plastically deform
Metals have moderate
elongation to failure (1-50%)
with deformation occurring by
plastic flow
Thermoplastics have large
elongations (>100%) because
the molecules can stretch out
and slide over one another
Rubbers have long elastic
elongations because the
chains can coil/uncoil
elastically
Thermosets have low
elongations (<5%) because
the molecules are bonded
together into a network so that
they cannot slide over one
another
One way to strengthen a
metal is to make plastic flow
difficult – this reduces the
ductility and elongation
Strength - Max. service temperature
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Strength measures the resistance of a
material to failure, given by the applied
stress (or load per unit area)
The chart shows yield strength in tension for
all materials, except for ceramics for which
compressive strength is shown (their tensile
strength being much lower)
Maximum service temperature indicates the
maximum temperature at which a material
can be used in engineering – above this its
strength rapidly decreases
Polymers are limited to low temperatures,
metals to intermediate temperatures, and
only ceramics can withstand very high
temperatures.
Thermoplastic polymers operate at lower
temperatures than thermosets because only
weak Van der Waals forces hold the chains
together
Ceramics can operate at high temperature
because covalent bonds are very stable
Polystyrene has a maximum use
temperature below 100oC - which explains
why polystyrene coffee cups go out of
shape
Recycle Fraction - Cost
REŢELE CRISTALINE
Celula elementară
Celula cristalina: unitatea structurala care pastreaza
caracteristicile cristalului 3D. Prin repetare pe cele 3
axe se genereaza cristalul.
Celula elementara: cea mai mica formatiune 3D de
atomi care prin repetare genereaza reteaua.
(diferente la sistemul hexagonal)
REŢELE CRISTALINE
Sisteme cristaline: retelele Bravais 7
fundamentale si 7 derivate de baza – atomi in
centrele volumelor sau fetelor + alte sisteme
derivate (atomi in alte pozitii)
La metale:
Cubic volum centrat (cvc) – Feα, Cr, W, W, Mo, Tiβ, ...
Cubic cu fete centrate (cfc) – Feγ, Al, Cu, Au, Ag, ...
Hexagonal compact (hc) – Zn, Mg, Tiα, ...
Alotropie (pentru metale) = proprietate de a cristaliza in
sisteme diferite; trecerea de la o stare alotropica la alta –
transformare alotropica
cfc – cea mai buna plasticitate, rezistenta / duritate mica
cvc – plasticitate mai scazuta, rezistenta / duritate mare
hc – plasticitate scazuta
Deformaţiile în cristal au loc in principal în planele de
alunecare (plane cu densitate atomica maxima).
Numar mare de plane de alunecare → plasticitate
bună.
REŢELE CRISTALINE
INDICII MILLER
DEFECTE IN CRISTALELE REALE
DEFECTE IN CRISTALELE REALE
BENZI DE ALUNECARE IN CRISTALE
Cadmium crystal after deformation to
100 % strain
DEFECTE IN CRISTALELE REALE
DISLOCATIE MARGINALA
DEPLASAREA DISLOCATIILOR IN CRISTAL
Cand tensiunea depaseste o valoare limita, dislocatiile se deplaseaza in planele de
alunecare (plane cu densitate atomica maxima) → deformare prin alunecare
c.f.c. – 8 plane de alunecare
c.v.c. – 6 plane de alunecare
h.c. – ~ 2 plane de alunecare
DEFECTE IN CRISTALELE REALE
DISLOCATII ELICOIDALE. VECTORUL BURGER
10-6 m: Dislocation Growth Spiral
The pyramidal surfaces of the hillocks on the graphite surface contain numerous
"fundamental" growth spirals nucleated by a screw dislocation. The height of the steps in
these spirals is 6.7 x 10-10 m, the unit cell dimension of graphite along [001]. The average
step separation is 90 nanometers. Arrows point to step regions of height 3.3 x 10 -10 m, the
d-spacing of graphite along [001]. Atomic force microscope (AFM) image (deflection
data) by Dr. John Rakovan (Miami University, Oxford, Ohio).
MECANISMUL DE DEFORMARE PRIN ALUNECARE
Cristal
fixat la
capete
Cristalul după deformarea
plastică prin tracţiune.
Alunecarea se produce în plane
distincte paralele
Legea lui Schmid
Localized deformation of a tensile structured
aluminum wire of 25µm diameter
Într-un cristal pot exista mai multe plane de alunecare. Pe măsură ce sarcina creşte, cresc
eforturile tangenţiale  pe fiecare plan de alunecare până când eventual se atinge valoarea critică
c într-unul din planurile de alunecare. Cristalul începe să se deformeze plastic prin alunecare
după planul respectiv denumit sistem (plan) de alunecare primar. Creşterea sarcinii de
solicitare conduce la creşterea eforturilor tangenţiale şi în alte plane de alunecare după care se
produc alte alunecări (după depăsirea valorii critice c )
MECANISMUL DE DEFORMARE PRIN MACLARE
Două regiuni ale grăuntelui cristalin sunt deplasate simetric
după un plan de separaţie. Mărimea deplasării zonei cristaline
nu coincide uzual cu distanţa atomică (linia punctată).
Se disting trei tipuri de macle:
a – macle mecanice (de deformare) – se întâlnesc la sisteme:
h.c., c.v.c. (la rece).
Maclele de deformare se formează pentru a minimiza energia
superficială şi conduc la despicarea în două zone simetrice a
grăuntelui cristalin.
b – macle de recoacere – se întâlnesc la sistemul c.f.c.
c – macle de creştere – se întâlnesc la sistemul c.f.c.
Maclele de recoacere sau de creştere apar datorită tendinţei de
minimizare a energiei de interfaţă şi prin urmare prezintă
muchii drepte.
CONCLUZII: ALUNECARE vs. MACLARE
Agregat policristalin – ansamblu
cristalite cu orientare diferită a reţelei.
de
Deformare: fiecare grăunte după orientarea
proprie + deformări la limitele de grăunte
(interacţiuni grăunte deformat – grăunte
nedeformat).
Orientarea cea mai favorabila: 45° fata de
axa de solicitare
Orientarea cea mai defavorabila: 0° sau 90°
Scanning Tunneling Microscope Image of
Iron in the (110) plane
Către suprafaţa de studiu se apropie un ac pînă
cînd între probă şi ac nu se va crea un curent de
tunel . Cu ajutorul computerului se dirijează
deplasarea acului, menţinîndu-se constantă
distanţa ac - probă sau curentul de tunel. Raza
de curbură a vîrfului ascuţit (de obicei din
volfram) este mai mică de 1000 Å, spaţiul de
lucru (de la vîrful acului pînă la suprafaţa
examinată a probei) este de circa 3 Å,
tensiunea de lucru între ac şi probă este
aproximativ de 0,1... 10 V, curentul de tunel, de
obicei, se află în limitele 0,1... 10 nA şi variază
aproximativ cu ordinul de mărime la variaţia
spaţiului de lucru cu 1 Å.
O varietate a MTB (Microscopia tunel cu baleiaj )prezintă
microscopul de forţă atomică (MFA). Acesta înregistrează forţe de
interacţiune Van der Waals foarte mici (mai mici de 1nN) între ac şi
probă. Aceste forţe descresc cu distanţa r proporţional cu r-8 (pentru
doi atomi separaţi). Rezoluţiile MFA şi MTB sunt de acelaşi ordin de
mărime.
Scanning Tunneling
Microscope Image
Spre deosebire de MTB, cu ajutorul căruia pot fi studiate
numai probe cu conductivitate sporită, MFA oferă
posibilitatea de a studia şi obiecte dielectrice. Dacă aculdetector de forţă este confecţionat dintr-un material
feromagnetic, atunci MFA permite a studia şi structura
magnetică a probelor, în special a pereţilor de domenii.
Deosebirea fundamentală de principiu dintre MTB şi
MFA constă în aceea că MTB redă convoluţia electronică
şi topografică a structurii probei, iar MFA - o oarecare
sumă de poziţii ale atomilor, legăturilor acestora şi
interacţiunii cu acul de baleiaj.