Anyagismeret II.

(1)

pap.andrea@ttk.mta.hu 1

Villamosipari anyagismeret

Villamosmérnök szak Távoktatás

Csikósné Dr Pap Andrea Edit

pap.andrea@ttk.mta.hu

MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet ÓE Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar MTI

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

(2)

Tematika

Első konzultáció 2013. 03. 09. 16:25 – 18:00

1.Tájékoztató, házi dolgozatok témáinak kijelölése

A hA háázi zi dolgozadolgozatok beadtok beadáása a vizsgsa a vizsgáára bocsra bocsááttáás felts feltéétele. tele.

A A hháázi dolgozatzi dolgozatra kaphatóra kapható pontokpontok a a vizsgvizsgáán eln eléért pontszrt pontszáámhoz mhoz hozzhozzááadadóódnak, dnak, HAHA min. 50%-min. 50%-ot elot elééri a hallgatri a hallgatóó a vizsga vizsgáán.n.

2.Az anyagszerkezet alapjai I-II 3.Szilárd testek szerkezete

4.Fázisátalakulás

2013. 04. 10. Házi dolgozatok címének és vázlatának beadási határideje - emailben

Második konzultáció 2013. 04. 20. 16:25 – 18:00 1.Villamos tulajdonságok

2.Mechanikai tulajdonságok 3.Optikai tulajdonságok

4.Fémek

5.Nem fémek

(3)

Villamos tulajdonságok Villamos tulajdonságok Villamos tulajdonságok

(4)

Alapfogalmak

•Ohm törvény: j =  E  = 1/

j: áramsűrűség, : fajlagos vezetőképesség, E: térerősség : fajlagos ellenálás

 = n e µ

n: töltéshordozók száma, e: töltés, µ: töltéshordozó mozgékonysága

•Vezetők - szigetelők

 [cm]

^-1

10

⁶

1 10

^-6

10

^-12

Ag, Cu, Al

Fe, Ni

Félvezetők Ge, Si

Szigetelők

üvegek, polimerek

(5)

Töltéshordozók:

• Fémes vezetők: elektron

• Félvezetők:

elektron, lyuk

• Szigetelők, gázok: Ionok, elektronok

• Hőmérsékletfüggés: szigetelők, félvezetők

 ~ exp(-T)

Mert a töltéshordozók száma nő

Hőmérsékletfüggés:

• Fémes vezetők:

Mert az elektronok mozgékonysága csökken

(6)

A vezetés magyarázata - Sávelmélet

Elektron függőleges falú potenciál-gödörben:

–állóhullámok

–alap és gerjesztett állapotok Több elektron:

–Pauli-elv Sok elektron:

–Energia sávok

(7)

• Fémrácsban: sok elektron egy kollektív rendszerben

• A megengedett energiasávok között tiltott sávok

Vezetők: E_tiltott < 0,5 eV Félvezetők: E_tiltott ~ 0,5..2 eV Szigetelők: E_tiltott > 3 eV

Szabad elektronmozgás (vezetés) csak az üres, vagy a részben betöltött sávokban lehet.

(8)

A vegyértéksáv és a vezetési sáv kialakulása a Li atomok kondenzálódása során

Az egymáshoz közeledő atomok külső elektronpályái ( a betöltetlenek és a betöltöttek) közössé válnak.

A sok azonos szint egy-egy sávvá szélesedik.

(9)

Az energiasávok betöltöttsége -A Fermi energia

Elektronok energia-eloszlásának leírására:

Egy sávon belül hogyan töltődnek fel az energiaszintek

Fermi-Dirac statisztika

f(E) azt mutatja meg, hogy egy adott „E”

szint mennyire van feltöltve elektronokkal ( a megengedetthez képest)

Ideális gázok energia-eloszlása: Boltzmann eloszlás

n/n

₀

= e

^-ΔE/kT

(10)

A Fermi-Dirac függvény

• Energiaminimum elv + Pauli elv

• T = 0K –en:

– a sávon belül az elektronok alulról kezdik feltölteni a szinteket, – minden szint teljesen betöltve,

– a legnagyobb energiájú: Fermi-energia

• Nagyobb T-n: a felső szintekre jut többlet energia

(11)

Fermi szint E

_F

:

Az előző függvény 90°-kal elforgatva és ráillesztve a sávdiagramra

a legmagasabb betöltött energiaszint 0K-en (50%-os betöltési valószínűség nagyobb hőmérsékleten).

Fermi szinten f(E) = 0,5

(12)

A Fermi szint szerepe

• Két vezető érintkezésénél a Fermi szintek igazodnak egymáshoz

• Az elektronok az alacsonyabb potenciál (=kisebb E_F) felé vándorolnak 

töltésszétválás  kontaktpotenciál, Volta potenciál

• Kilépési munka: E₀ - E_F

E₀

Vez. Sáv

E_F

Vegy. sáv W_ki

(13)

Az energiaállapotok eloszlása

• Az adott szinten

(az E és E+dE intervallumban)

található elektronok számát mutatja meg.

• Az ábra szabad elektronokra

vonatkozik, a fémrács elektronjaira hasonló, csak a Fermi szint

környékén kissé torzul

.

(14)

A vezetőképességet meghatározó tényezők A vezetőképességet meghatározó tényezők

Klasszikus modell:

Szabadelektron közelítés

• Elektron gyorsul

• Ütközik a rács atomjaival

• Újra gyorsul…….

• Átlagos haladási (drift) sebesség

•  számítható fajlagos vezetőképesség

• Nem magyarázza a hőmérséklet- függést, a szennyezés, ötvözés hatását

A töltéshordozók száma egységnyi térfogatban

(15)

•

Merőleges beesésnél:

n  = 2d

 = 2d/n

•Állóhullám; ilyen

hullámhosszok nem terjedhetnek

•Más -val akadály (ellenállás) nélkül

• Az elektronok mozgása síkhullámként is leírható

• De Broglie :  = h/mv (sokféle v, sokféle )

• A kristályrács fémionjai periodikus potenciálteret alkotnak úgy működik, mint egy optikai rács.

• Interferencia Bragg feltétele: n  = 2d sin n = 1, 2,…

(16)

• Fentiek ideális rácsra vonatkoznak, egyféle geometriai rend, kevés  tiltott:

• Ha torzul a kristályszerkezet

 újabb hullámhosszakra válik akadállyá a rács

 nő a fajlagos ellenállás

A vezetőképességet meghatározó tényezők

Torzulás okai:

• Hőmérséklet emelése

• Ötvözés, szennyező anyagok

• Kristályhibák, szemcsehatár

a: korlátlan elegykristály b: korlátozott elegyedés, az elegyedési határon

c: intermetallikus vegyület képződése a két komponens

(17)

Vezető anyagok

Cu alapú vezetők:

• Tisztán vagy 1 - 2 % ötvözővel (Ag, Cr, Be)

– Nagy- és kisfeszültségű hálózatok – NYHL összeköttetés

– Kontaktusok

• Nagyon jó vezetőképesség,

• Jó kémiai ellenálló-képesség

• Közepes mechanikai tul.

Al alapú vezetők:

• Tisztán vagy 1 - 2 % ötvözővel (Si, Cu)

– Távvezetékek – IC vezetőhálózat

• Jó vezetőképesség,

• Jó kémiai ellenálló-képesség

• Közepes mechanikai tul.

• Olcsóbb

(18)

Alkalmazások

Érintkezők:

• Követelmények:

– Kicsi átmeneti ellenállás

– Terhelés alatt ne lágyuljon, ne olvadjon, ne kopjon

– Ne elegyedjen, diffundáljon a másik fémmel

– Alkalmas mechanikai jell. pl.

rugalmasság

• Szokásos anyagok:

C (grafit), Cu, Ag, Au, Ru, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, W

Ellenállások:

– Széles R tartomány

– Kis hőmérsékletfüggés (TK) – Kis zaj

– Ne öregedjen

– Cu-val kicsi termoelektromos feszültség

• Szokásos anyagok:

Konstantán: (55% Cu, 44% Ni, 1%

Mn), Ni, Cr, Ta-TaN

(19)

Fűtőellenállások:

–Magas op.

–Kémiai stabilitás nagy T-n

–Mechanikai tartósság nagy T-n

• FeNiCr, FeNiAl ötvözetek

• Pt, W, Ta, Mo–

• SiC, MoSi₂

• Grafit (3000 K-ig semleges atmoszférában

(20)

IC kontaktusfémezés

• Eredetileg Al, mert könnyen gőzölhető, jól köthető a Si-hoz

• Nagyobb működési sebesség,

miniatűrizálás miatt jobb vezető fém

kellett. Cu (ρ = 1,7 µΏcm), de diffundál a Si-ba.

• Köztes védőréteg (barrier) W, Ta/TaN, Ti/TiN vagy Ru

(21)

Kívánt tulajdonság Anyagok, amelyek NEM teljesítik Nagyon jó vezetőképesség Mind, kivéve Ag, Cu, Au

Magas eutektikus hőmérséklet Si-vel Au, Pd, Al, Mg

Csekély diffúzió Si-ben Cu, Ni

Kis oxidációs hajlam, stabil oxid Mg, Fe, Cu, Ag, hőálló fémek

Magas olvadáspont Al, Mg, Cu

Csekély kölcsönhatás a Si hordozóval, poli-Si-mal

Pt, Pd, Rh, V, Ni , Mo, Cr Csekély kölcsönhatás a SiO₂-dal Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V. Mg, Al Jó tapadás a SiO₂-on Tapadás elősegítő rétegek alk.

Kémiai stabilitás HF-os közegben is Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Al Könnyű strukturálhatóság Pt, Pd, Ni, Co, Au

Csekély elektromigráció Al, Cu

Győztes: Al, Cu (?)

(22)

Nemfémes vezetők

• Vezető polimerek:

• Konjugált kettőskötés

• p, n adalékolás – félvezető jelleg

• Egydimenziós fémes vezetés

• Optoelektronikai eszközök: LED, display, fényelem

• TFT (vékonyréteg tranzisztor)

Átlátszó vezetők:

• ITO = indium-ón oxid

• Vékony réteg ~ 1Wcm

• Alkalmazás: kijelzők, napelemek

• ZnO

Ionvezetők:

• Elemek, akkumulátorok,

• Tüzelőanyag cellák

• Szenzorok, pl. ZrO₂ (O₂ érzékelő  szonda)

(23)

Félvezetők

• Elemek: Si, Ge

• Vegyületek:

–III – V: GaAs, InP, GaN –II – VI: ZnS, CdS, HgTe –Polimer

• Adalékolatlan, (intrinsic):

–Nagyon kevés töltéshordozó a vezetési sávban, mert a hőenergia kevés a

gerjesztéshez

–Elektron – lyuk egyensúlyban –Fermi szint a tiltott sáv közepén

A vegyértékelektronok a hőenergia segítségével feljuthatnak a vezetési sávba

(24)

(25)

• Adalékolt (dopolt, szennyezett, extrinsic):

– új szint a tiltott sávban -

– p típus: B, Ga, Al n típus: P, As, Sb – a Fermi szint is eltolódik

(26)

• Az n adalék a vezetési sáv alatt hoz létre új szintet.

• A Fermi szint a vezetési sáv és a donor szint között

p adalék szintjei

(27)

Előfeszített p-n átmenet

A p-n átmenet sávdiagramja feszültségi állapotban.

Töltésrendeződés addig, amíg a Fermi szintek kigeyenlítődnek.

(28)

Optoelektronikai eszközök

LED Nyitó irányú kapcsolás

Elektron – lyuk rekombináció

A sávszélességnek megfelelő energia fotonként szabadul fel.

E_g = h = hc/

Fotodetektor, napelem Egyensúlyi vagy záró irányú

előfeszítés

Beérkező foton elektron – lyuk párt kelt, ha

E_foton > E _g áramtermelés

(29)

Vegyület félvezetők

• Elsősorban optoelektronikai alkalmazás

• Előny, hogy a tiltott sáv szélessége a kül. anyagok keverésével hangolható

• Csak a nagyon hasonló rácsállandójú anyagok alkotnak feszültségmentes elegykristályt

A rácsállandó és tiltott sáv

szélessége a vegyület

félvezetőknél

(30)

Fém – félvezető átmenet

• MOS, MOSFET tranzisztorokban

• A Fermi-szintek kiegyenlítődnek, elektron-vándorlás a fém irányába.

• A félvezető sávszerkezet torzul. Töltésfelhalmozás a határréteg két oldalán.

• Egyenirányító hatás (Schottky átmenet)

Félvezető és fém

sávdiagramja elkülönítve

A sávszerkezet módosulása az érintkezés után

(31)

Technológia elemei

• Kohászati tisztaságú Si

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

• Tisztítás

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂ – Alapszennyezés

AsH₃ vagy PH₃ adagolás

• SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl

• Egykristály húzás: Czochralski

• Zónás tisztítás

– Szennyezés ~ 1 ppb – Diszlokációmentes – Kívánt orientáció

Zónás tisztítás

(32)

• Szeletelés

• Maratás, polírozás

• Tisztítás, ellenőrzés…

• Elemgyártás

Moore törvény

(33)

Szigetelők

• Jellemző tulajdonságok:

– Fajlagos ellenállás:   10⁶cm – Szabad elektron: n  10⁶ /cm³

– Tiltott sáv: E_g  3 eV

– Dielektromos állandó (relatív permittivitás)

_r = C/C_o, D = _o _r E = _o E + P – Veszteségi tényező:

tg = I_hat/I_meddő

– Átütési szilárdság [kV/cm]

(34)

Polarizáció

• a villamos tér hatására az anyag

molekulái deformálódnak, a töltések kissé szétválnak, dipólusok alakulnak ki

1. Elektronpolarizáció:

Indukált dipólmomentum Független f- től,

Független T-től 2. Ionpolarizáció

Indukált, függ f-től és T-től 3. Orientációs polarizáció Állandó ,

E: rendeződés, kT: rendezetlen dipólmomentum:  = q d

polarizáció: P =N 

(35)

A polarizálhatóság frekvenciafüggése

Maxwell egyenlet: n = (e_r)^1/2

(36)

Piezoelektromossá g g

• : mechanikai feszültség

• S: deformáció

• Y: Young modulus

• d, g: piezoelektromos állandó

• Szerkezetfüggő tulajdon-ság;

alacsonyabb szim-metriájú kristályokban

• Kvarc SiO₂,

• BaTiO₃ perovszkit szerk.

• LiNbO₃niobát szerk - d E piezo hatás

+ g S reciprok piezo Hooke –törvény:  = Y S

Elektrosztatika: D =  E

(37)

Jellemzők:

• Csatolási tényező

• Mechanikai jósági tényező

• Frekvenciaállandó = f_r·d

• Curie pont: kristályszerkezet változás Alkalmazás:

• elektro-mechanikai átalakítók;

rezgéskeltés, érzékelés

• Frekvenciastabilizálás

• Precíz mozgatás (pl: STM)

be me

hő

W Q W

,



(38)

Ferroelektromosság

Jellemzők:

• Spontán polarizáció

• Domén szerkezet

• Nagyon nagy relatív permittivitás; 1000 – 20000

• _r függ az E-től

• Hiszterézis

• Curie hőmérséklet Alkalmazás:

kerámia kondenzátorok

(39)

A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdons

A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdons á á gai gai

(40)

Szerkezeti anyagok igénybevételei

Az elemzés szükséges:

• A szerkezeti anyagok tulajdonságainak meghatározásához,

• A károsodási folyamatok megértéséhez,

• Ahhoz, hogy a megfelelő szerkezeti anyagot választhassuk ki az eszköz működési funkciójához.

(41)

A szerkezeti anyagok funkció által meghatározott igénybevételei:

• Térfogatra ható igénybevételek:

- mechanikai igénybevételek, - termikus igénybevételek, - sugárfizikai igénybevételek,

• Felületre ható igénybevételek:

- sugárfizikai igénybevételek (felületre hatók is), - kémiai igénybevételek,

- biológiai igénybevételek, - tribológiai igénybevételek.

(42)

Térfogatra ható mechanikai igénybevételek:

• Húzás-nyomás,

• Nyírás, eltolás,csúszás,

• Hajlítás,

• Csavarás, torzió,

• Hidrosztatikai nyomás.

(43)

Húzás-nyomás:

0 0

d k d

l l A

F A

F

ny h

 



 









Húzó fesz.

kontrakció nyúlás

l

₀

d

₀

Δl/2

(44)

Nyírás, eltolás, csúszás:

A

 F



Nyíró feszültség



 tg

l

w 



0 Nyíró alakváltozás

F

w

υ

(45)

Hajlítás:

4

0 max

M  Fl

Hajlító nyomaték:

l

0

u  h

Behajlás:

F/2 F/2

F

h

MEMS kapcsoló poliszilíciumból ~ 5 μs (Micro-Electro-Mechanical System)

(46)

Csavarás, torzió:

l 0

Fr M

  



Forgató nyomaték

Torzió

F

φ

(47)

Hidrosztatikai nyomás:

A nyomás minden oldalról „p”

V

0

K  V



Kompresszió

(48)

A szerkezeti anyagokra ható igénybevételek időbeli lefolyása

Igénybevételek:

• Állandó:

- statikus, - kúszási,

• Periódikusan változó (lengő),

• Sztochasztikusan változó.

Az igénybevételek szinte mindig egymásra szuperponálódva, komplexen hatnak.

(49)

Statikus, tartós igénybevétel:

Minden bekapcsolás, ill. az ellentettje a kikapcsolás, feszültségmentesítés.

Valóságban a jel erre a jelre, mely a készülék sajátja, szuperponálva jelenik meg.

ig.v.

t 1(t)

(50)

Erőteljes, rövid ideig tartó igénybevétel:

Rövid ideig tartó nagy energia közlést jelent:

pl.: ha leesik a készülék vagy hozzácsapódik valami.

δ(t) Valós

igénybevétel

t

ig.v.

(51)

Periódikusan változó, lengő vagy lüktető igénybevétel:

Az állandó amplitúdójú lengőterhelés valamilyen állandó előterhelésre

szuperponálva jelenik meg.

(52)

Sztochasztikusan változó igénybevétel:

A véletlenszerűen változó

igénybevétel állandó vagy változó előterhelésre ültetve hathat.

ig.v.

t

(53)

A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai

Jellemző paraméterek:

Adott erő vagy feszültség hatására a vizsgált szerkezeti anyag (mechanikai igénybevételre terhelt anyagok) milyen alakváltozást szenved ill. milyen terhelés hatására törik el.

(54)

A szerkezeti anyagok alakváltozásai lehetnek:

• Reverzibilis: a terhelés megszűnik – az alakváltozás is megszűnik időben: rugalmas – azonnali, egyidejű,

viszkorugalmas – időben elhúzódó,

• Irreverzbilis: a terhelés megszűnik – maradó alakváltozás (képlékeny viselkedés) időben: plasztikusság,

viszkoplasztikusság,

• Törés: A szerkezeti anyag szétválása, folytonosságának megszakadása a repedések makroszkopikus tartományban való terjedése következtében.

(rideg viselkedés)

(55)

A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai állapotfüggőek.

Állapotváltozók:

• Hőmérséklet,

• Feszültségi állapot,

• Alakváltozás sebessége.

(56)

Rugalmasság - Lineárisan rugalmas

• Húzás: érvényes a Hook-törv.

σ =εE, E=rug.modulus

• Nyírás:

τ =γG G=csúsztató modulus

• Hidrosztatikai nyomás:

β_h =kK K=nyomási modulus

Csekély alakváltozás (ε≤0,01%) esetén minden szilárdtest rugalmas.

σ

ε

A görbe alatti terület a befektetett alakítási energia – veszteség nélkül visszanyerhető!

(57)

A rugalmassági állandók a kristályt felépítő atomok/ionok között ható erőkre

jellemzők → A köbös kristályú fémekben a rugalmassági állandók függetlenek az iránytól (izotróp), az alacsonyabb szimmetriájú kristályokban az anyagállandók tenzorok

Az anyag olvadáspontja és a rugalmassági állandók között arányosság, eredete a vonzó és taszító erők természetében.

A rugalmassági állandó a hőmérséklet növekedésével csökken!

(58)

Nem-lineárisan rugalmas:

A terhelés megszűnte után az alakváltozási energia teljes

mértékben felszabadul. pl.:gumi (kb.500% nyúlásig!

Rugalmatlan:

Rugalmatlan hiszterézis: nyúlásgörbék a terheléskor és a terhelés megszűnte után nem esnek egybe. pl.: vibrációs

csillapításnál előnyös.

Energiabevitel–veszteség

(59)

Viszkorugalmasság: (viszkoelaszticitás) időtől függő, reverzibilis alakváltozás.

Fogalom összevonás:

- viszkózus viselkedés:

nyúlás lineárisan függ az időtől – irreverzibilis folyamat, - rugalmas (elasztikus) viselkedés:

lineáris összefüggés van a feszültség és a nyúlás között.

Jellemzői:

E

_r

= relaxációs modulus, a viszkorugalmas alakváltozással szembeni ellenállás mértéke,

Τ = relaxációs idő, relaxációs alakváltozás sebességének mértéke.

(60)

Szilárdság és alakváltozás

Szilárdság: a szerkezeti anyag vagy szerkezeti elem töréssel szemben támasztott ellenálló képessége.

Függ:

• szerkezeti anyag (kémiai jellemzők, kötések, mikroszövet),

• szerkezeti elem geometriája (alak, érdesség, bemetszések),

• igénybevétel jellege,

• igénybevétel – idő függvény,

• hőmérséklet,

• környezeti feltételek (pl.: korróziós közeg).

Mechanikai-technológiai vizsgáló módszerekkel határozható meg.

(61)

Szakítóvizsgálat

Az S₀ kiinduló keresztmetszetű és L₀ kezdeti hosszúságú próbatestet egytengelyű húzó igénybevétellel adott sebesség mellett addig

nyújtunk, míg be nem következik a szakadás. A vizsgálat során mérjük a terhelés változását a darab

nyúlásának a függvényében.

(62)

Szakítódiagram

σ_eL…alsó folyáshatár σ_eH…felső folyáshatár σ_m….szakítószilárdság



I II III





Δ ε σ

I Rugalmas alakváltozás: a terhelés megszűnése után a darab

visszanyeri eredeti alakját.

II Egyenletes alakváltozás: a képlékeny deformáció a

mérőhossz minden egyes pontján azonos. A terhelés megszűnése után az egyenletes nyúlás

egyenesével párhuzamosan tér vissza a 0 terhelésre, van

visszamaradó deformáció (Δε).

III Kontrakció: a képlékeny

deformáció egy szűk tartományra korlátozódik.

(63)

(64)

A képlékenység vagy a ridegség nem az anyag, hanem annak állapotának a jellemzője.

A mérésből meghatározhatóak még a következő mutatószámok:

0 0

0

l

l l

l

_u

t

 

 



ε_t…teljes törési nyúlás,

l_u…törés utáni próbatest hossz, l₀...próbatest eredeti hossza.

A

0

Z  A



Z…kontrakció,

ΔA…legnagyobb keresztmetszet változás, A₀…kiinduló keresztmetszet.

Ezekből a viszonyszámokból számolható vagy becsülhető:

• a szerkezeti elem méretezése,

• konstrukció terhelhetősége,

• a szerkezeti anyag képlékenységének megítélése az alakítás alatt.

(65)

Kúszás: Az állandó, tartós terhelés alatt jelentkező, a „t” időtől és a „T”

hőmérséklettől függő alakváltozás. Ε =f(σ; t; T)

Okai: A termikusan aktivált folyamatok (pl.: diszlokációs és kristályhatár mozgások).

Ezek olyan hőmérsékleten lépnek fel, amely függ:

• Szerkezeti anyag fajtájától,

• T_m olvadási hőmérséklettől,

• (T_ü üvegesedési hőmérséklettől).

pl: fémek: T_ü >(0,3 – 0,4)T_m, keramikus anyagok: T_ü >(0,4 – 0,5)T_m

A szerkezeti anyagok kúszása és terhelés alatti viselkedése

(66)

Kúszási görbe:

tartós terhelési görbe, időtől függő ε = f(t) alakváltozás, ha σ = const.; T = const.

Szakaszai:

I. Átmeneti v. primer kúszás szakasza – kezdeti képlékeny alakváltozás,

II. Állandó v. szekunder kúszás szakasza – dinamikus egyensúly a keményedés és a szilárdság csökkenés között,

III. Gyorsuló v. tercier kúszás szakasza – kúszási megnyúlás gyors növekedése, irreverzibilis folyamatok – kúszási törés



0 t

(67)

Kúszáshatár:

Az a feszültség, amely adott hőmérsékleten (T) végtelenül hosszú idő alatt sem okoz az előírtnál nagyobb maradó alakváltozást (σ_T0,2).

Időtartam-szilárdság:

Az a feszültség, amely t idő alatt adott ε_t maradó alakváltozást hoz létre.

(68)

A szerkezeti anyagok kúszási folyamatairól:

A szerkezeti anyagok kúszása feszültség-relaxációval van összefüggésben, azaz valamely konstrukcióba előfeszítéssel bevitt feszültségek az anyag képlékeny megnyúlása nyomán idővel csökkennek.

Emiatt pl. a fémszerkezetek csavarkötéseit 0,3T_m feletti üzemi hőmérsékleten rendszeresen meg kell húzni!

A kúszás „hatása” turbinalapáton – a lapát tönkremenetele

(69)

Kifáradás: A szerkezeti anyag változó ill. lengő igénybevétel mellett bekövetkező tönkremenetele.

• Mikroszkópikusan: Az ide-oda csúszkáló diszlokációs vonalak csúszási sávokká történő felhalmozódásából tevődik össze.

• Makroszkópikusan: Keményedés formájában jelentkezik. A próbatest felületén nyíródási jelenségek, repedések kiindulása lehet. A kiinduló keresztmetszet lecsökken – erőszakos szakadás lép fel.

Kifáradás és kifáradási határ

(70)

A szerkezeti anyag kifáradásának okai lehetnek:

• A hirtelen ébredő túlterhelés,

• A terhelő feszültség gyakori és nagy ingadozása,

• Az ismételt igénybevételek túl nagy száma,

• Feszültség koncentrációs helyek jelenléte,

• Hőmérséklet ingadozása,

• Korrózió,

• Az anyag belső feszültségeinek nagysága és eloszlása,

• Az anyag szerkezete,

• Többtengelyű feszültségi állapot.

(71)

Wöhler-görbe: feszültség – lengő igénybevétel szám. Kísérleti úton határozzák meg.

0,2 < σ _w/σ _F<1,2 ahol σ _w=kifáradási határ, σ _F=folyási határ.

A görbe acélra vonatkozik, tartós szilárdsággal rendelkezik:

ha a terhelés ≤ σ _w , akkor N→∞.

De pl.: a Cu, Al esetén a görbe asszimptotája a vízszintes tengely!

(72)

1998. június, Németország A baleset oka: a kerék repedése.

Akkor még nem volt törésmechanikai

előrejelzés, csak az átmérő csökkenést ellenőrizték.

Boeing 707 Hawaii Oka: anyagfáradás

„csak” 1 áldozat

(73)

Anyagkárosodás, anyagvédelem

A szerkezeti anyagokat technikai alkalmazásuk során különböző hatások érik, melyek működésüket és élettartamukat károsan befolyásolják, ezek az anyagkárosodási folyamatok.

Az anyagkárosodást okozhatják:

• A térfogatra ható igénybevételek:

– mechanikai, – termikus, – sugárfizikai,

• A felületre ható igénybevételek:

– sugárfizikai, – kémiai,

– biológiai, – tribológiai.

(74)

Az anyagkárosodások csoportosítása

• törés,

• öregedés,

• korrózió,

• biológiai anyagkárosodás,

• kopás.

A károsodási ismeretek célja:

• feltárni az anyagkárosodások okait,

• anyagvédelemre módszereket kidolgozni,

• módszerek a károsodás ellensúlyozására,

• módszerek a károsodás megelőzésére.

(75)

Törés

A szerkezeti anyag makroszkópikus megszakadása, amelyet a mechanikai igénybevétel okoz, amennyiben az túllépi a szilárdtest belsejében fennálló kötőerőt.

Szívós törés Rideg törés

(76)

Törésmechanika

A szerkezeti anyagokban meglévő repedésszerű hibahelyek alakjában jelentkező hibák jelenlétéből indul ki és

a szerkezeti anyagnak a repedés tovaterjedésével szemben tanúsított ellenállását vizsgálja.

(77)

Öregedés

• Az idő folyamán valamely anyagban lezajló összes olyan kémiai vagy fizikai folyamat, amelyekhez a szerkezeti anyag tulajdonságainak

(többnyire negatív) megváltozása kapcsolódik.

• Okai lehetnek:

– belső (pl. összetétel változások),

– külső (pl.: hőmérsékletváltozás, sugárzás).

Különböző anyagok különböző öregedési jelenségeket mutatnak:

• Fémek esetében - mechanikai mutatószámok megváltoznak,

• Szervetlen anyagok esetében – bizonyos anyagok kiválása következtében

„kiizzadás” vagy „kivirágzás”,

• Polimer szerkezeti anyagok esetében – duzzadás, zsugorodás, vetemedés, diffúzió, repedésképződés elszíneződés, különösen megfakulás következtében.

(78)

Öregedés elleni védelem érhető el:

• Inhibitorokkal – olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciókat késleltetik,

• Stabilizátorokkal – ezek az anyagok a feldolgozással ill. az öregedéssel okozott tulajdonságváltozásokat csökkentik. Pl.: hőstabilizátorok, sugárzás elleni védőanyagok.

(79)

Optikai

Optikai tulajdonságok tulajdonságok

(80)

Optikai alapfogalmak

• Fény: transzverzális elektromágneses hullám

n = c

_vákuum

/c

_közeg

(81)

Az elektromágneses spektrum

(82)

Az anyag és a fény kölcsönhatása

• Visszaverődés, reflexió

• Törés, kettőstörés, polarizáció

• Elnyelés, abszorpció, szórás

• Fénykibocsátás, fotoeffektus

• Fotokémiai reakciók

• Elektrooptikai, magnetooptikai hatás

(83)

Visszaverődés

• Fresnel törvény

merőleges beesésnél:

(minden közeg határfelületén, iránytól független)

• Szögfüggés:

• Brewster szög: polarizációs sík szerinti

szétválás: a párhuzamos megtörik (R_párh=0), a merőleges visszaverődik

(n

₁

– n

₂

)

²

(n

₁

+ n

₂

)

²

R=

(84)

Reflexió módosítása dielektrikum-rétegekkel

Antireflexiós (AR) bevonat:

• Átlagos üvegfelületről (n = 1,5), R  4%

• Rétegvastagság: n₁d = /4

• Két visszavert sugár gyengítő interferencia

• Teljes kioltás, ha:

• Függ: hullámhossz beesési szög

• Egyrétegű bevonat: R  1%

(85)

Többrétegű bevonatok

• Szélesebb -tartomány

• Szabályozható áteresztés, visszaverés, pl:

interferencia-szűrő

•• Dielektrikum tüDielektrikum tükrkröök:k:

visszaverés irányában erősítő interferencia Felváltva nagy és kis törésmutatójú

rétegrendszer, λ/2, λ/4 rétegek, Fehér fényre: R  99%,

csak egy  -ra: R  99,999% pl. lézerek, rétegszám: 31-35

(86)

Alkalmazások:

– Interferenciaszűrők

– Hidegtükrök (infrát nem veri vissza) pl. vetítőlámpa

– Lencsék tükrözésmentes bevonata – „Egyirányú” tükrök

– Kirakatüveg Réteganyagok:

– Kis n: MgF₂, kriolit

– Nagy n: ZrO₂, TiO₂, ZnS

A legjobban tükröző fémek reflexiós spektruma

(87)

Fénytörés

• Schnellius-Descartes-törvény:

n =sin /sin =c₁/c₂

• A törésmutató függ a hullámhossztól  Diszperzió

Diszperzió

• Fény felbontása hullámhossz szerint, spektroszkópia, ékszerek csillogása

Optikai adatátvitelben a jelsebesség függ a  - tól, a jel kiszélesedik, csökken az átviteli

kapacitás 

Anyagdiszperzió [ps/nm/km]

(88)

• Lencsék, lencse-rendszerek kromatikus hiba: fehér fényt használva minden hullámhosszra máshol van az éles kép

• Korrekció: kétféle optikai üvegcsalád:

korona és flint

• : Abbe-szám

(89)

Kettőstörés, polarizáció

• Anizotrópia: az anyagi

tulajdonságok pl. n, , D függenek a vizsgálati iránytól

• Izotróp anyagok: gázok,

folyadékok, polikristályos anyagok, szimmetrikus rácsú egykristályos anyagok

• Anizotróp: nem szabályos

rendszerű egykristályos anyagok, folyadékkristályok

• Anizotróp anyagokban kristálytani tengelyek irányában más más

törésmutató

n_o (rendes, ordinárius),

n_eo (rendellenes, extraordinárius) SiO₂, kvarc: 1,544 1,553 TiO₂, rutil: 2,616 2,903

(90)

• Két megtört fénysugár polarizációja egymásra merőleges

• A polarizáció síkja megegyezik a főtengelyek irányával.

• Kettőstörést / anizotrópiát okozhat:

– Mechanikai feszültség

– Makromolekulák rendeződése – Elektromos, mágneses tér

(91)

Alkalmazás:

• Anyagvizsgálat,

• fényerő-szabályozás,

• reflexiócsökkentés (pl foto),

• LCD kijelző,

• optikai jelmodulálás

Egy meteorit kőzetszemcse polarizációs mikroszkópi képe Polisztirol láncmolekulák rendeződése

a fröccsöntő szerszámban

(92)

Fényelnyelés

• Foton energiája megfelel egy elektron energia-átmenetnek

• Fekete, fehér, átlátszó, színes anyagok: a látható spektrumból mást-mást nyelnek el

(93)

Fénykibocsátás

• Hőmérsékleti sugárzás: (fizika) Stephan-Boltzmann törv:

S = T⁴

S: össz. kisugárzott teljesítmény

• Lumineszcencia

Pl. fénycső, katódsugárcső

• Laser

A hőmérsékleti sugárzás spektrális eloszlása

(94)

Lumineszcencia

1. Gerjesztés (energiafelvétel) UV, katódsugárzás, RTG, radioaktív, el. tér, stb

2. Energia tárolás

µs – ms – s  utánvilágítás vagy

nem sugárzásos energia-leadás 3. Foton kibocsátás

Stokes törv.:

E_gerj  E_em vagy fotolum: _gerj 

_em

Félvezető jellegű anyagok foszforeszcens világítási

(95)

Fluoreszcencia, foszforeszcencia

• Fluoreszcens: spin váltás nélkül

egyszerűbb mechanizmus,

rövidebb utánvilágítás

• Foszforeszcens: a spin megfordulás- hoz 3.

szereplő, hosszabb utánvilágítás

micro.magnet.fsu.edu

(96)

Laser

Feltétlek:

1. Metastabil energiaszint (pumpálás =

elektronok gerjesztése a metastabil szintre) 2. Populáció inverzió

(több elektron van gerjesztett állapotban, mint alapon)

3. Stimulált emisszió

A rekombináció egy másik foton hatására következik be.

4. Optikai rezonátor

(97)

• Koherens nyaláb:

, fázis, (esetenként a polarizáció) nagyon pontosan megegyezik.

• Nagy energiasűrűség

• Az aktív tartomány két végén dielektrikum tükör. Zárt végen R > 99,5%, a kilépő oldalon ~ 50%.

• Pulzáló fény.

A He – Ne lézer működése

(98)

A félvezető lézerek működése

(99)

(100)

A különböző fényforrások jellegzetes emissziós spektruma

(101)

Elektro-optikai hatás - Kerr effektus

Elektro-optikai modulátor sémája.

A fény polarizációs síkjának elfordítása elektromos térrel

Ebben az elrendezésben az alkalmazott villamos tér párhuzamos a fény terjedésével.

2

d

E K  l

 

(102)

Pockels effektus

Transzverzális elektrooptikai moduláció

Felső: két elemes konfiguráció, pl.

ADP típusú anyagokhoz.

Alsó:egy elemes konfiguráció, pl.

lítium-tantalát típusú anyagokhoz.

 ~ E

(103)

Elektro-Optikai Anyagok

Anyag Rövidítés

^Képlet

Áteresztési tartomány

( m)

Sáv- szélesség

(MHz)

n_o,n_e adott hullám- hosszon

(m)

Ammonium dihydrogen phosphate

ADP ^NH₄^H₂^PO₄ ^{0.3 - 1.2} ^{to 500} ^{1.51, 1.47} at 1.06

Potassium dihydrogen phosphate

KDP ^KH₂^PO₄ ^{0.25 - 1.7} ^{> 100} ^{1.51, 1.47}

at 0.55

Potassium dideuterium phosphate

KD*P ^KD₂^PO₄ ^{0.3 - 1.1} ^{to 350} ^{1.49, 1.46}

at 1.06

Lithium

niobate LN ^LiNbO₃ ^{0.5 - 2} ^{to 8000} ^{2.23, 2.16}

at 1.06

Lithium

tantalate ^— LiTaO₃ 0.4 - 1.1 to 1000 2.14, 2.143

at 1.00

(104)

Magneto-optikai hatás Faraday hatás

A polarizációs sík változtatása mágneses térrel

θ = V l B V: Verdet áll:

~ 10^-4 ívpec/Tesla m

Anyagok:

Bizmuttal adalékolt yttrium-vas gránát (Bi:YIG), nitrobenzol

(105)

Magnetooptikai Kerr effektus alkalmazás adattárolásban

(106)

Fémes szerkezeti anyagok

(107)

Fémek felosztása

• periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján,

• sűrűségük alapján:

- könnyű fémek, ha ρ<4,5 kg/ dm³, - nehéz fémek, ha ρ > 4,5 kg/ dm³.

• olvadáspont alapján:

- alacsony olvadáspontú fémek T_olv<1000^oC,

- közepes olvadáspontú fémek 1000ôC < T_olv< 2000ôC, - magas olvadáspontú fémek T_olv> 2000ôC.

• kémiai tulajdonságaik alapján:

- passzíváló anyagok, - korrózióálló anyagok.

(108)

Különböző erőhatásokkal szembeni ellenállás

• keménység,

• rugalmasság,

• alakíthatóság,

• rugalmasság,

• szilárdság, stb.

Technológiai tulajdonságok:

• önthetőség,

• kovácsolhatóság,

• edzhetőség,

• hegeszthetőség, stb.

(109)

Fémek és ötvözeteik

ötvözetek: fémeknek fémes vagy nem-fémes anyaggal alkotott szilárd oldata.

Lényegesen javítja, megváltoztatja az alapanyag tulajdonságait, az alkotók mennyiséget %-osan adják meg.

alapanyag lehet Fe, Al, Cu, Sn, Pb, stb.

ötvözőfém lehet Cr, Ni, Mo, W, Co, V, stb.

metalloidok: nem-fémek, de sajátságaik révén közel állnak hozzájuk és velük ötvözeteket alkotnak. Pl.: C, P, Si, S.

(110)

Vas alapú szerkezeti anyagok

A vas tömegaránya nagyobb, mint bármelyik másik ötvözőelemé.

Színvas szilárdsága csekély – mágneses tulajdonságai jelentősek (pl.: vasmag) ötvözet tulajdonsága széntartalomtól függ:

• 0,1-2,06 s% széntartalom - acél,

• 2,06-4,8 s% széntartalom - öntöttvas.

(111)

A vas szénoldó-képessége függ a hőmérséklettől:

• dermedés hőmérsékletén 2,06 s% C oldott állapotban,

• további lehűlés – C oldóképesség csökken – C kiválik, a többi oldva marad.

vasötvözetben a C előfordulhat:

• oldott állapotban,

• kivált állapotban,

• vegyület formájában.

oldott C:

növeli a vas keménységét, szilárdságát, edzhetőségét.

(112)

A szén kétféle alakban fordul elő:

Szabad grafit: szürke, lágy anyag

ridegséget növeli és az önthetőséget javítja,

grafit lemezkék, kristályok szabálytalanul helyezkednek el.

Vaskarbidban kötött szén:

a vaskarbid kristály (ezüst színű, nagyon kemény, rideg anyag).

Temperszén: amorf szerkezetű

1000 C körüli tartós izzítás esetén vaskarbid bomlásból keletkezik határozatlan alakban fordul elő. A temperszenet tartalmazó vasfajták szívósak.

(113)

Állapotábra szerkesztése a lehűlési görbékből

(114)

Vas-szén állapotábra (ikerdiagram)

(115)

(116)

Jellegzetes szövetelemek

(117)

Hőkezelések

A fémek jellemzőinek (mechanikai-, technológiai tulajdonságainak) megváltoztatása lehetséges:

- ötvözéssel, - hőkezeléssel.

A hőkezelések szakaszai:

• felhevítés (anyagtól, eljárástól függő hőmérsékletre),

• hőntartás (meghatározott ideig),

• lehűtés (szobahőmérsékletre anyagtól, eljárástól függő hűtési sebesség)

(118)

Hőkezelési eljárások csoportosítása:

• lágyító hőkezelések

- keménység csökkentés - feszültség csökkentés, - ridegség csökkentés - lágyítás,

- alakíthatóság növelése - normalizálás.

• keményítő hőkezelések

- keménység növelése - edzés,

- kopásállóság növelése - felületi edzés, - nyúlás csökkentése,

- alakíthatóság csökkentése.

• szívósságnövelő hőkezelések

- szakítószilárdság növelése - nemesítés, - nyúlás csak kicsit csökken.

• különleges hőkezelések különleges tulajdonság elérése – pl.: alitálás.

(119)

Lágyító hőkezelések:

•Feszültségcsökkentő hőkezelések:

500-600 °C, 1-2 óra, kemencében hűtés

•Lágyítás:

680-780 °C,4-8 óra, kemencében, sósfürdőben, 600 °C alatti áramlás mentes levegőn történő hűtés

•Normalizálás:

830-900 °C (GSE vonal fölé), 20-40 perc, kemencében vagy áramlásmentes levegőn

(120)

Keményítő hőkezelések:

edzés + megeresztés:

800-1000 °C (kemencében vagy lépcsőzetesen), teljes keresztmetszetre, gyors hűtés (vízben)

Saját meleggel, 160-250 °C hőmérsékletű olajban főzik

(121)

Szívósságot növelő hőkezelés:

Nemesítés: kétszer hevítik:

1. A munkadarab anyagár jellemző edzési hőmérsékletre, teljes áthevülésig, gyors hűtés (vízben vagy olajban),

2. 450-650 °C megeresztési hőmérsékletre, teljes áthevülésig, lassú hűtés (kemencében).

Különleges hőkezelések:

Pl.: Alitálás:

850-1100 °C-ra hevítik alumínium (alumínium-oxid vagy alumínium-klorid) porral együtt dobozban, 8-12 óra,

0,1-1 mm Al-val telített réteg alakul ki, hőálló, rideg (900-1000 °C-on izzítással csökkenthető).

(122)

Kéregedzések

1. lángedzés

világítógáz – levegő – oxigén vagy acetilén – oxigén szúrólánggal hevítik a felületet

rétegvastagság 1,5 – 2mm – fokozatos átmenet olcsó, de bonyolult darabokra nem alkalmazható.

2. indukciós edzés

nagyfrekvenciás áram – skin hatás alapján,

a kéregvastagság az alkalmazott frekvencia függvénye,

2 – 3mm 2,5 – 10kHz

0,2 – 2mm 400 – 500kHz

hűtés: hűtőfolyadékba mártás v. permetezés.

(123)

3. betétedzés

cementálás –kéreg ° C tartalmának növelése (0,2%-nál kisebb C tartalmú acélok is!)

•edzés,

•megeresztés.

•alkalmazott közeg szerint lehet:

-szilárd közegben: C tartalmú anyagban dobozzal együtt hevítik 850-950 ^oC-ra

→0,1mm/óra,

-folyékony közegben (cianidálás): nátriumcianid, nátriumkarbonát, nátriumklorid ömledéke, 830-870 ^oC 0,3-0,4mm/1-2óra,

-gáznemű közegben: szénmonoxid, metán, propán, bután gáz, 850-950 ^oC.

(124)

• nitridálás (nitrálás)

termokémiai kezelés, amelynek során bizonyos elemeket pl.: nitrogént, bórt, vanádiumot diffundáltatnak be, a nitrálásnak különös jelentősége van, a munkadarab felületébe nitrogén diffundál, nitrideket képez → nő a

felületi réteg keménysége

alacsony hőmérsékletű hőkezelés,

acélban nitridképző elemek szükségesek (pl.: Al, Cr, Mn, stb.),

500-550 ^oC nitrálódoboz (ammónia gáz – ezen a hőmérsékleten bomlik); 1- 2 óra alatt kemény, kopásálló réteg alakul ki.

(125)

Acélok

(vas-szén ötvözet, 2,06s%-nál kisebb széntartalom – kovácsolható)

Az acélok tulajdonságai ötvözőelemekkel befolyásolhatók.

Az ötvözőelemek a vassal általában szilárdoldatot alkotnak:

• ferritben jól oldódnak:

Cr, Al, Ti , Ta, Si, Mo, V, W

• austenitben jól oldódnak:

Ni, C, Co, Mn, N

(126)

Vas-alapú szerkezeti anyagok (acélok) szabványos jelölése:

• ötvözetlen acél (szénacél) – kisebb mennyiségben tartalmazhatnak egyéb elemeket

- megnevezés szakítószilárdság szerint(kp/mm²~N/mm²) jele: A +szakítószilárdság pl.: A 37

- megnevezés széntartalom szerint (hőkezelhetők) jele: C +100xCtart.s%-ban pl.: C 45

• gyengén ötvözött acél – ötvözőelem tartalom < 5s%

jele: 100xCtart.s% + ötvözőelem x szorzó pl.: 13CrMo44 (0,13%C, 1%Cr, 0,4%Mo)

• erősen ötvözött acélok - ötvözőelem tartalom > 5s%

jele: X +100xCtart.s% + ötv.tart.%

pl.: X10CrNi188 (0,1%C, 18%Cr, 8%Ni)