Anyagtudomány:
hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Alapfogalmak
Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet
•Vázlat Kötések Atomi erők Kristálytan
Szerkezet vizsgálat Példák
Ionos, kovalens és fémes kötés jellemzői Az atomokat összetartó erők és párpotenciálok Periodikus felépítés, elemi cellák, rácsok és alapegységek, (Bravais, Wigner-Seitz cella) Röntgendiffrakció alapjai és példák Elemi cella átmentek, polimorfia
2
•Fogalmak
Elsődleges kötéstípusok
•
Ionos kötés • •
Coulomb Ionrács
•
Kovalens kötés •
•
Elektronok megosztása Molekularács
•
Fémes kötés • • •
Atommagok Delokalizált eFémrács
A hidrogén elektronja A szén elektronja
Forrás: www.Google.com
3
•Fogalmak Ionos kötés
•
•
•
Általában fémek és nemfémes atomok között alakul ki Coulomb erők
𝐴 𝐸𝑣 = − 𝑟 𝐵 𝐸𝑡 = 𝑛 𝑟
•
Ev vonzó erő
•
Et taszító erő
•
A, B, n ≈ 8 (állandók)
•
Kompakt szerkezet
•
Tulajdonságok
A kötéstáv minden irányban egyenlő •
Az ellentétes ionoknak a lehető legközelebb kell férkőzniük egymáshoz az ionrácsban
•
Kemény
•
Törékeny
•
•
Elektromosan szigetelő Hőszigetelő
Oxid kerámiákban ionos kötés található 4
•Fogalmak Kovalens kötés
• •
Elektronmegosztás Kötéserősség •
•
Az elektronszerkezet függvénye
Irányfüggő •
Csak a két összekapcsolódó atom közötti vonal mentén
•
Kompakt szerkezet
•
Tulajdonságok •
Kemény (gyémánt)
•
Puha (polimerek)
•
•
Elektromosan szigetelő Hőszigetelő
Polimerekre és kerámiákra jellemző 5
•Fogalmak Fémes kötés
•
•
•
Az elemi fémek jellemző tulajdonságaik nem magyarázhatók az eddigi kötéstípusokkal
A rácspontokban pozitív fémionok A köztes teret elektronok töltik ki •
•
Tulajdonságok •
Kemény
•
Alakítható
•
•
Elektromosan vezető Hővezető
Fémek
Delokalizált elektronfelhő
6
•Fogalmak
Atomokat összetartó erők
•
A Schrödinger egyenlet megoldása több elektron esetében nehézkes •
•
•
Adiabatikus szétválasztás (az ionok és elektronok elkülönítése) Párpotenciálok (empirikus függvények) használata
Két szomszédos atom közötti kölcsönhatás leírása F
•
Morse
U r
egyensúlyban
U 0 r
U r 2D exp 2a r rK D exp a r rK
A B • Lenard-Jones U r n m , n 6, m 12 r r •
A paramétereket kísérletileg határozzák meg
7
•Rendezett halmazok felépítése Atomok periodikus rendezett elhelyezkedése
•
Laue (1914) •
Szerkezet: atomcsoportok, vagy ionok 3D-s periodikus elrendeződése
Periodikus
Kvázi periodikus (amorf fémek, fémüvegek)
8
•Síkbeli rácsok
Rácsbeli atomok szimmetriaviszonyai
•
Rácsvektor •
•
•
Vektor, mely mentén, ha eltoljuk a rácsot önmagát kapjuk Az eltolást nevezzük transzlációnak is Tetszőleges transzlációs vektor megadható elemi rácsvektorok lineáris kombinációjaként 𝑅1 = 𝑅 + 𝑛1 𝑎 + 𝑛2 𝑏 + 𝑛3 𝑐
.... .... 𝑎 .... 𝑅𝑛
𝑏
𝑅𝑛 9
•Elemi cella és Bravais cella
A szimmetriaviszonyokat leíró egységek 3D-ben
•
Elemi cella és Bravais cella
•
2D-s Bravais cellák
•
A Bravais cellák jobban tükrözik a rács szimmetriaviszonyait, mint az elemi cella
10
•Bravais cellák 14 féle Bravais cella
•
•
Az összes lehetséges atomi elrendezést le lehet írni a 14 Bravais cella használatával Kristályállandók (6 db) • •
•
Élhosszak (a, b, c) Sarokpont körüli szögek (α, β, γ)
Kristályszerkezetek (7)
11
•Elemi kristályszerkezetek A 7 féle alapszerkezet
•
Triklin
1 cella (P)
•
Monoklin
2 cella (P, C)
•
Rombos
4 cella (P, C, I, F)
•
Hatszöges
1 cella (P)
•
Négyzetes
2 cella (P, I)
•
Romboéderes 1 cella (R)
•
Köbös
3 cella (P, I, F)
12
•3D elemi cellák
Néhány 3D-s elemi cella
•
Egyszerű köbös
•
Primitív cella •
Csak csúcsokban van atom
•
Minimális térfogat
Tércentrált köbös
13
•3D elemi cellák
Néhány 3D-s elemi cella
•
Lapon centrált köbös
Hexagonális
Lapon centrált , vagy hexagonális kristály előállítása elemi rétegekből A B A B A B → hexagonális A B C A B C → lapon centrált 14
•Egyéb rácsfogalmak
Reciprok rács, Wigner-Seitz elemi cella
•
Wigner-Seitz elemi cella •
Az rácspontokat összekötő egyenesek felezőmerőlegesei által határolt terület/térfogat
Wigner-Seitz elemi cella Képek: www.google.com
•
Reciprok rács A 2
b×c c×a a×b , B 2 , C 2 abc abc abc
•
Köbös kristály reciprok rácsa is köbös → a vektor hossza
•
Egy lineáris lánc reciprok rácsa saját maga
•
A reciprok rács Wigner-Seitz cellája a Brillouen zóna (hullámok terjedését írja le)
15
•Hálózati síkok Miller indexek
•
• • • •
Hálózati síkok definiálása
A síkok távolsága fontos Miller indexek (hkl) számhármas Köbös rendszer Bragg egyenlet (röntgendiffrakció)
d hkl
a h2 k 2 l 2
2dhkl sin q n 16
•Röntgendiffrakció
A kristályok diffrakciójából következtetünk a felépítésre
•
Olyan irányokban lesz kifejezett a szórás, amelyekre teljesül a Bragg feltétel
Timsó egykristály diffrakciós térképe Dr H. J. Milledge, Department of Geology, University College, London 17
•Röntgendiffrakció Szabályosság
EGYKRISTÁLY •
Diszkrét vonalak (Ón-oxid)
POLIMER •
Kiszélesedett, elmosódott sávok (polipropilén)
18
•Elemi cella átmenete
Gyakorlati példák - Ónpestis (allotróp átmenet)
•
Jelenség i. e. 350 (Arisztotelész)
Hűtés
13,2 °C Fehér (béta) ón Sűrűség: 7,30 g/cm3 • Következmények
• •
•
Szürke (alfa) ón 5,77 g/cm3
•
Nagy térfogatnövekedés (~27 %)
•
Az ón elporlad, ha az átmenet bekövetkezik
19. század Orosz hadsereg egyenruha Orgonasípok tönkrementek a télen Amundsen (ónnal forrasztott benzinkanna)
Képek: Prof. Bill Plumbridge, The Open University, Milton England
19
•Elemi cella átmenete Polimorfia – polipropilén
• •
•
•
Kétféle eltérő elemi cella – eltérő tulajdonságok Alfa iPP •
Nagyobb merevség
•
Magasabb olvadáspont
•
Termodinamikailag stabil
Béta iPP •
Kisebb modulus
•
Nagyobb ütésállóság
•
Alacsonyabb olvadáspont
Átmenetek érdekes következményei és termikus viszonyai 20
•Szerkezet – tulajdonság Mechanikai tulajdonságok
•
Vizsgálati módszerek •
•
Egytengelyű húzás, vagy összenyomás (lassabb mint a törés)
•
Hajlítás
•
Csavarás (nagy deformációk ~ 500 %)
•
Törő (jellemzően nagyon gyors vizsgálati sebesség)
•
Periodikus igénybevétel – DMTA (kis deformációk)
•
Fáradási vizsgálatok
A berendezések minden anyagcsoportra hasonlóak, de a módszerek eltérőek (élesen eltérő tulajdonságok miatt) 21
•Egytengelyű húzás Berendezés
CSIGAMENETES •
A keresztpofák mozgatását csigaorsó látja el • Lassú, megbízható, olcsó
HIDRAULIKUS •
A keresztfejet hidraulikus munkahengerek mozgatják • Gyors, periodikus igénybevétel, drága
22
•Törés
Berendezés
• •
Műszerezett, vagy sima törőkalapács Eltérő elrendezések Charpy
Izod
23
•Alakváltozási mechanizmusok Alapfogalmak
•
•
•
•
Szilárd testek külső terhelés hatására bekövetkező alakváltozása Rugalmas alakváltozás •
Az anyag hangsebességgel deformálódik
•
Hooke törvény
Anelasztikus alakváltozás •
A hangsebességnél jóval lassabb
•
A terhelés megszűnése után eltűnik
Képlékeny alakváltozás •
A terhelés megszűnése után megmarad
•
Általában nagyobb terhelések hatására jön létre 24
•Deformáció leírása Mérnöki és valódi értékek
•
•
•
A deformáció során alakváltozás lép fel •
Hossz megnő
•
Keresztmetszet lecsökken
Könnyen mérhető mennyiségek: •
Kiindulási méretek (A0)
•
Pillanatnyi erő (F)
Mérnöki feszültség •
Valós feszültség
σM = F/A0
σV = F/A
Húzás 25
