Materjaliteaduse üldaluste eksam (0)

1.Polükristalsed, monokristalsed ja amorfsed materjalid.
1) Valdav osa tahkeid aineid on polükristalse ehitusega, nad koosnevad suurest hulgast väikestest
korrapäratult orienteeritud kristallidest. Tekib, kui kristallide kasv algab korraga paljudes kohtades. Üksikute terade pinnal muutub kristallvõre orientatsioon . Kui kristallisatsioon algab vormi pinnalt, on orientatsioon veidi erinev. 2) Monokristall on tahke keha, kus aatomite korrapärane paiknemine jätkub kogu keha ulatuses, st on üksainus suur kristall . Looduslikud monokristallidon tavaliselt korrapärase hulktahuka kujulised. Tehnilistel eesmärkidel kasvatatakse monokristalle kunstlikult. Monokristalli tõmbamise skeem sulandist on joonisel. Nii saadakse näiteks suuri pooljuht-materjalide monokristalle läbimõõduga kuni 40 cm ja pikkusega üle meetri. Anisotroopia on nähtus, kus monokristalli omadused eri suundades on erinevad. See on seotud osakeste erineva tihedusega erinevates suundades. Anisotroopia on seda suurem, mida ebasümmeetrilisem on kristall.
3) Amorfsetes materjalides puudub osakeste paiknemise kaugem korrapära, esineb ainult lähi-korrapära. Sisuliselt on amorfsed ained allajahutatud vedelikud, nad ei ole jõudnud kristalliseeruda.. Amorfseid materjale saab valmistada kiirel jahutamisel (klaasi tootmine). Amorfsete materjalide hulgas eristatakse nn klaasitaolisi materjale. Neil on tahke (klaasitaolise) oleku ja vedela (voolava) oleku vahel nn viskoelastne olek. Siia kuuluvad paljud polümeerid. Metallid – kristalsed . Keraamilised materjalid – suurem osa kristalsed. Polümeerid – suurem osa amorfsed.
2.Difusiooni mehhanismid .
Aatomid on kristallis pidevas vibratsioonliikumises. Energia fluktuatsioonide tõttu võib mõni aatom
omandada energia, mis ületab keskmise energia sedavõrd, et aatom saab võres liikuda . Seda
energiabarjääri, mida aatom liikumiseks peab ületama nimetatakse difusiooni aktiveerimise energiaks. Aatomid, mis omavad seda lisaenergiat, on difusiooni mõttes aktiivsed. Nende kontsent- ratsioon sõltub temperatuurist Boltzmani võrrandi järgi: n = N xC x exp(− E*/kT) kus N– aatomite üldine kontsentratsioon; C – mingi konstant E* - aktiveerimise energia. Vastavalt võrranile 4.1 on n seda suurem, mida väiksem on E* ja mida suurem on T. E* on vajalik sidemete lõhkumiseks ja võre deformee-rimiseks liikumisel.Aatomi liikumiseks kristallvõres peab olema täidetud kaks tingimust: 1) kõrval peab olema tühi koht ,kuhu minna;2) aatom peab olema aktiivne. Metallides toimub difusioon kahe mehhanismi järgi. 4.1.1 Vakantsmehhanism Aatom ja kõrvalolev vakants vahetavad kohad. Aatomi difusiooni korral selle mehhanismi alusel toimub vakantsi difusioon vastupidises suunas. E* on summa vakantsi tekkeenergiast ja kohavahetuse energiast E* on seda suurem, mida kõrgem on metalli sulamistemperatuurVakantsmehhanism on põhiline omadifusioonis ja difusioonis tahketes lahustes. 4.1.2 Võrevaheline mehhanism Aatom liigub ühest võrevahelisest asendist teise.Selle mehhanismi alusel toimub peamiselt väikeste mõõtmetega aatomite difusioon.. Difusioon toimub kiiremini kui vakantsmehhanismi alusel, kuna võrevahelisi tühemikke on tundu- valt rohkem kui vakantse.
3.Statsionaarne difusioon
Üldiselt sõltub difusiooniprotsess ajast. Statsionaarne difusioon on ajas püsiv difusiooniprotsess.
Difusioonivoog J – ainehulk ,mis difundeerub ajaühikus läbi ühikulise pinna: J= m/Sx t või J=1dm/S dt (4.2) kus m- ainehulk; S – pindala; t – aeg. Kui J ei muutu ajas, ongi tegemist statsionaarse difusiooniga. Statsionaarset difusiooni korral toimub mingi gaasi difusioon läbi vaheseina pindalaga S, kusjuures gaasi rõhku mõlemal pool vaheseina hoitakse konstantsena. Kont-sentratsiooni sõltuvust koordinaadist x nimetatakse kontsentratsiooni profiiliks. Statsionaarse difusiooni korral on kontsentratsiooni profiil lineaarne ja gradient konstantne : dC/dx = ΔC/ Δx = C A − C B / x A − x B = const Statsionaarse difusiooni korral on difusioonivoog võrdeline kontsent-ratsiooni gradiendiga: J = −D dC/dx Fick’i I seadus kus J – difusioonivoog suunas x; D – võrdetegur e difusioonitegur.. Avaldame võrrandist 4.2 dm: dm = J·S·dt ja asendame J Fick’i I seadusest: dm = −D xS x dC/dx dt Kui D = const; S = const ja dC/dx = const, saame integree-rimisel: m = −D xS x dC / dx x t See võrrand annab aja t jooksul läbi pinna S difundeerunud ainehulga. Kui S = 1; dC/dx = -1; t = 1, siis m = D Seega difusioonitegur võrdub ainehulgaga, mis ajaühikus difundeerub läbi ühikulise pinna, kui kontsentratsiooni gradient on 1.D mõõtühik on m2/s.
4.Materjalide tugevus. Mehaaniline pinge ja deformatsioon . Elastne ja plastiline deformats. Tähtsamad mehaanilised omadused on tugevus, kõvadus, voolavus ja jäikus. Materjali tugevuse iseloomustamiseks uuritakse materjali deformatsiooni sõltuvana mehaanilisest pingest . Jõu rakendamiseks on seejuures 4 võimalust: tõmbe-, surve, nihke ja väändejõud( joonistel 5-1 ja 5-2). Metalli tõmbetugevuse määramiseks kinnitatakse katsekeha kahest otsast ja hakatakse tõmbama. Tavaliselt kasvab tõmbejõud ühtlase kiirusega. Katsekeha külge kinnitatakse tensomeeter, mis mõõdab keha lineaarmõõtmete muutumist. Saadakse katsekeha pikenemise Δl sõltuvus rakendatud jõust.Saadakse sõltuvus koordinaatides pinge – deformatsioon .Mehaaniline pinge avaldub: σ = F /A [Pa] ja Metalli survetugevuse määramisel loetakse jõud negatiivseks, kuna ka deformatsioon on negatiivne.Elastne ja plastiline deformatsioon Metallide deformatsiooni aste sõltub rakendatud pingest. Mitte väga suurte pingete korral on suurema osa metallide deformatsioon võrdeline pingega σ = Eδ kus E – elastsusmoodul .Sellist deformatsiooni, kus δ on võrdeline σ-ga,nimetatakse elast-seks deformatsiooniks . Elastne deformatsioon on pöör-duv.Elastsusmoodul on seotud osakeste va-heliste sidemete tugevusega materjalis . Mida tugevam on side,seda suurem on E . Keraamilistel ma-terjalidel on võrreldes metallidega suurem E, polümeeridel aga väiksem.Plastilisel deformats. Toi-mub aatomite libisemine üksteise suhtes ja seejärel uute sidemete tekkimine Pinge eemaldamisel sä- ilib ’jääk deformatsioon’.Materjale, millel on väike plastilise voolamise piirkond, nim. rabedateks.
5.Libisemispinnad. Metallide tugevdamise meetodid.
Teoreetiliselt peaks täiuslike kristalsete ainete mehaaniline tugevus olema tunduvalt suurem kui katseliselt saadud. Metallide plastiline deformatsioon toimub dislokatsioonide liikumise kaudu (5-9) Deformatsioon saab toimuda ka vintdislokatsiooni liikumisel Metalli tugevus seejuures ei vähene, kuna katkevate sidemete asemel tekivad uued. Sellist plastilist deformatsiooni nimetatakse libisemiseks. Pinda, mida mööda dislokatsioon liigub, nimetatakse libisemispinnaks Iga kristallstruktuuri korral on dislokatsioonidel eelistatud pinnad, mis ongi libisemispindadeks. Neil pindadel on omakorda eelistatud suunad, mida nimetatakse libisemissuundadeks. TTK võ pinnad ja neil omakorda libisemissuundadeks suunad (joon 5-13) Metallide tugevdamise meetodid Mida kergemini dislokatsioonid metallis liiguvad, seda kergemini metall plastiliselt deformeerub. Seetõttu kõik metallide tugevdamise meetodid põhinevad tegelikult dislokatsioonide liikumise takistamises. Kasutatakse järgmisi metallide tugevdamise meetodeid . 1) Terade mõõtmete vähendamine. Kristalliitide vahelisel pinnal lõpeb dislokatsiooni liikumine, - muutub kristalli orientatsioon ja seega libisemispind.Seetõttu on väikeste kristallii-tidega metallid tunduvalt tugevamad. Üheks lihtsaks võimaluseks terade mõõtmete vähendamiseks on karastamine . 2) Tahkete lahuste kasutamine.Selleks legeeritakse metalli lisanditega, mis lähevad põhiaine kristallvõresse. See takistab dislokatsioonide liikumist ja suurendab metalli tugevust 3)Külm-töötlemine. Plastilised materjalid tugevnevad külmtöötlemise käigus. Tugevneb, sest tekib palju dislokatsioone, nende vahekaugus on väike ja nad takistavad üksteise liikumist.
6.Faasidiagramm Fe – C
Süsteem raud – süsinik (Fe - C) Faasidiagramm süsteemile Fe – C puhtast rauast kuni süsiniku 6,7%-ni on esitatud joonisel 6-16. Terasetermilisel töötlemisel on faasiüleminekud seoses austeniidiga väga suure tähtsusega. Tsementiit tekib, kui süsinikku on rohkem, kui lahustub α või γ- rauas . Ta on äärmiselt kõva ja rabe . Diagrammil on eutektiline, eutektoidne ja peritektiline isoterm, kus toimuvad vastavad reaktsioonid: L(4,3%C) ↔ γ + Fe3C ; γ (0,76%C) ↔ α + Fe3C; L+δ↔ γ Raud ja tema sulamid süsinikuga jaotatakse kolme rühma: 1) puhas raud (α-raud) – sisaldab süsinikku vähem kui 0,008%; 2) teras - sisaldab süsinikku 0,008 – 2,14% 3) malm – sisaldab süsinikku 2,14 – 6,7% (tavaliselt kuni 4,5%). Vatleme teraste mikrostruktuuri sõltuvalt süsiniku sisaldusest. Eutektoidse sulami (0,76% C) jahutamisel tekib struktuur, mis koosneb α ja Fe3C vahelduvatest kihtidest. Sellist struktuuri nimetatakse perliidiks Kui sulamis on vähem süsinikku, kui 0,67% ,tekib struktuur, kus on ferriidi kihid ja vahel perliit.Kui sulamis on rohkem süsinikku, kui 0,67%, tekib struktuur, kus on tsementiidi kihid ja vahel perliit. Faaside koostised on kõigil juhtudel ühesugused, mikrostruktuur on aga erinev ja seetõttu ka erinevad omadused.
7.Terase ja malmi liigid
Terase liigidTeraseid klassifitseeritakse sõltuvalt süsiniku ja teiste lisandite sisaldusele. Madala lisandite sisaldusega terased sisaldavad kuni 2,5% lisandeid, suur sisaldus on üle 10%. Süsiniku sisalduse suurenemisega suurenevad tõmbetugevus ja voolamispiir, väheneb plastilisus ja halveneb keevitatavus. 1) Väikese C sisaldusega terased. Suhteliselt pehmed , plastilised, kergesti korro- deeruvad , odavad. Kõige enam- kasutatavamad terased, kõige odavamad. Tüüpilised kasutusalad: autokered 2) Keskmise C sisaldusega terased Neid saab termiliselt töödelda martensiidiks. Seetõttu tugevamad, aga ikkagi hea plastilisusega. Valmistatakse näit raudteerelsse. 3) Suure C sisaldusega terased Kõige tugevamad, kõvemad ja ka veel küllalt plastilised. Valmistatakse: tööriistad, lõike- terad . 4) Roostevaba teras. Sisaldab Cr ~11%, Roostevabad terased jaotatakse ferriitsed, marten -siitsed ja austeniitsed .Kasutatakse näit, tuumareaktorites. Malmi liigid Malm sisaldab üle 2,1% C. Tähtsamad malmi liigid on valge malm, hall malm, tempermalm ja ülitugev malm. Kõige enam kasutatavam ja odavam on hall malm, mis saadakse mitte väga kiirel jahutamisel. Sisaldab räni ,ei ole eriti tugev ja on väga rabe.Summutab vibratsiooni,hõõrdetugevus suur.Kasutatakse näit. Sisepõ-lemismootorite plokkide valmistami-seks.Kiirel jahutamisel saadakse valge malm, kuna Cst tekib tsementiit. Valge malm on kõva ja rabe. Kasutatakse näit. kuullaagrite valmistam. Kui sula-metalli lisada enne valamist veidi Mg ja/või Ce, tekib ülitugev malm, mis on ka piisavalt plastiline. Tõmbe-tugevuselt ja plastilisuselt lähedane terasele,kuid odavam. Kasut.näit.mootorite klappide valmistam.
8.Vask ja alumiinium , nende sulamid.
Vormimise meetodid on stantsimine (ka sepistamine), valtsimine , survetöötlemine ja tõmbamine (joon 7-6). Vask ja tema sulamid Puhas vask on suure elektri- ja soojusjuhtivusega, kuid samal ajal väga pehme ja plastiline Puhast vaske saab elektrolüüsi teel. Väga hästi külmalt töödeldav ja korrosioonikindel. Puhtal kujul kasutamist takistabki pehmus.Sulamitest on tähtsaim valgevask ehk messing . Tavaline koostis on 70% Cu ja 30% Zn. Tähtsuselt teised vase sulamid on pronksid . Pronksid on Cu sulamid peamiselt tinaga (Sn), aga ka selliste elementidega nagu Al,Si, Ni, Be, P. Pronksid on palju tugevamad ja elastsed,korrosioonikindlamad. Alumiinium ja tema sulamidAl on väga väik-ese tihedusega Ta on hea elektri- ja soojusjuhtivusega väga pehme metall . Ta on aktiivne metall, oksüdeerub intensiivselt õhu käes juba toatemperatuuril, kuid tekkiv Al2O3 on väga tihe ja kaitseb edasise oksüdeerumise eest. Oksiidikihi paksust saab suurendada elektro -lüüsi teel. Sellist Al nim. anodeeritud alumiiniumiks ja teda kasutatakse ehitusmaterjalina. Tema kasutamist piirab suhteliselt madal sulamistemperatuur .Al mehaanilist tugevust saab suurendada külmtöötlemisega ja sulamite kasutamisega. Sulamid sisaldavad peamiselt Cu Selliseid Al sulameid kasutatakse väga laialdaselt toidu-nõude-na,soojusvahetajatena. Eriti tugevad on kaks Al sulamit:1) Al + Cu + Mg + Mn 2) Al + Cu Mg + Zn + Cr Neid sulameid kasutatakse lennuki- ja autotööstuses.
9. Titaan ja tema sulamid. Väärismetallid. Nikkel ja tema sulamid.
.Titaan ja tema sulamid Titaan on suhteliselt uus konstruktsioonimaterjal . Temas on ühendatud terve rida väga häid omadusi: väike tihedus - kõrge sulamistemperatuur,suur tugevus ,plastilisus, väga hea töödeldavus. Ti sulamid on eriti tugevad. Puuduseks on asjaolu, et kõrgematel temp. keemiliselt väga aktiivne. Seega sulatamiseks ja valuks vaja erilisi materjale, see teeb detailide valmistamise kalliks. Madalatel temperatuuridel on Ti ja tema sulamid väga korrosioonikindlad nii õhus, merevees kui ka tööstuslikes agressiivsetes keskkondades Väärismetallid :Ag, Au, plaatina ja pallaadium .Omadused: äärmiselt passiivsed, korrosioonikindlad; pehmed ja plastilised; kallid. Kasutatakse ehete valmistamiseks. Ag ja Au saab tugevdada lisanditega, peamiselt vasega. Ag ja Au on väga suure elektrijuhtivusega.. Kuna ka korrosioonikindlad, siis kasutatakse elektroonikas väi-keste voolude juhtmetena ja kontaktidena jne. Ag õhu käes aeglaselt oksüdeerub . Pt kasutatakse keemialaboratooriumis: tiiglid, elektroodid , termopaarid,katalüsaatorina. Pd omab väga suurt vesi-niku neelamisvõimet. Nikkel ja tema sulamid Ni on korrosioonikindel paljudes keskkondades. Ni-ga kaetakse elektrolüüsi teel teisi metalle kaitseks korrosiooni eest (nikeldamine). Väga tähtsad on Ni sulamid vasega.Ni on supersulamite põhikomponent ja kuulub ka roostevabade teraste koostisse. Ni ja Cr sulamit kasutatakse vastupidava takistustraadi valmistamiseks kütteelementidele
10.Metallide ja sulamite töötlemine
1) Vormimine -kuju muudetakse plastilise deformatsiooni käigus.. Kuumtöötlemisel on suurem deformatsioon ja energiat kulu väiksem. Külm-töötlemisel on. Detailid on täpse mõõtmega, paremad pinnaomadused, tugevad. Vormimise mee- todid : 1.1)stantsimine- kõige paremad mehaanilise omadustega detailid. Teraslehtede stantsimise teel valmist näiteks autokere detaile.;1.2) sepistamine--deformeeritakse kuuma tooriku löökidega alasi ja haamri vahel.1.3)Valtsimime—pöörlevate valtside vahel lükatakse ja tõmmatakse mater-jali;1.4)ekstrusioon.survetöötlemine-kasutatakse kuumtöötlemisel. Al ja Cu ning sulamite tööt-lemiseks. Valm. vardaid ja torusid . 1.5) tõmbamine—toimub läbi ava, valmistatakse traati. 2) Valamine (valu)-- sulametall valatakse vormi. Sobivad sellised metallid, millel on vedelas olekus hea voolavus. Kasut, kui detail on nii suur või keerulise kujuga, et vormida ei saa, 2.1) Tavalisem on vormivalu.Ühekordsed-pärast sulami tahkumist purustatakse vorm. Korduv- avatavad, et metall kätte saada. 2.2) Survevalu . Vedel sulam surutakse vormi. Valmistatakse terases. Võimalik kasutada madala sulamistemp metallide korral.2.3) Ümbervalu-detaili täpne koopia valm.vahast või plastikust. Selle ümber valmsitatakse kõvenev vorm2.4) Pidev valu—Vedel metall voolab pidevalt joana liikuvas vormis, kus ta tahkub ja jah-tub. 3)Pulbermeetodid--sulami või erinevate sulamite sugust koosnevast pulbrist pressitakse vajaiku kujuga detailid ja need kuumu -tatakse temp, kus toimub ümberkritalliseerumine.Liigitakse: 3.1) Keevitamine.3.2) Jootmine . 4)Detailide valmistamine lõikamisega: treimine , puurimine, frees
11.Anorgaanilised klaasid . Klaasdetailide valmistamine.
Anorgaanilised klaasid peavad sisaldama vähemalt ühte klaasimooduvstavat oksiidi, tavaliselt SiO2. . Tavalist klaasi kasutatakse aknaklaasina, klaastaarana, jne. Klaasi lähteained on: räniliiv, sooda, potas , lubjakivi, booraks jm. Klaasisordid: sulatatud kvarts , kvartsklaas , boosilikaatklaas, aknaklaas , klaaskiud, optiline klaas, klaaskeraamika. Klaasid ei oma kindlast sulamistemp. Kuumutamisel muutuvad järjest pehmemaks ja voolavamaks.. Suurem osa klaasi vormimise operatsioone teostatakse tööpunkti ja pehmenemispunkti vahel- töötlemispiirkond. Temp sõltub klaasi sordist.Klaasidetailide valmistamine: lähtematerjalid sulatatakse koos. Kui on vajalik läbipaistvus, siis peab klaasimass olema homogeenne ja mullivaba. Detailide valmistamiseks kasutatakd: 1)Pressimist- paksude detailide valmistamiseks(toidunõud) pressivorm on grafiidiga kaetud malmivorm, mida kuumutatakse. 2) Puhumine - pudelite, elektripirnide jne valmistamiseks. Kunstiline ja keeruline puhumine toimub käsitsi. 3)tõmbamine- aknaklaasid, torud ja vardad . Veel Klaasisorte: 1) värviline klaas- saadakse oksiididest: Cao, Cr2O3, MnO, UO2. ; 2) karastatu klaas- kiire ja ühtlane jahtumine , külma õhu joas. Raskesti purunev .; 3) klaaskeraamika- kriatalliseerunud klaas. Väike ruumipaisumistegur, suurem soojuvusjuhtivus, mehaaniliselt tugev. Nt keedunõud
12.Traditsiooniline keraamika. Keraamiliste detailide valmistamine.
Traditsioonilisteks nimetatakse sivu baasil valmistatud keraamikat. Savi on keraamiliste materjalide kõige enamkasutatavam lähtematerjal, kuna on odav, on palju, saab kasutada ilma muuda lisanditeta ja savi segu veega on väga plastiline ning hästi vormitav. Savi baasil valmistatud keraaamika jaguneb laias laastus ehituskeraamikaks ja portselaniks. Ehituskeraamika hulka kuuluvad tellised, kahhelkivid, keraamilised plaadid . Portselan muutub põletamisel valgeks, sellest valmistatakse toidu- ja muid nõusid jne. Portselan sisaldab peale savi veel komponente, mis mõjutavad detaili omadusi. Savi on alumosilikaadid .Savi põhikomponendi kaoliin Al2(Si2O5)(OH)4 on kihilise ehitusega. Lisades vett, tungib vesi kihtide vahele ja muutub õhukeseks kileks. Peale savi sisaldab portselan veel täiteaineid ja sulandajaid. Täiteainaks on liiv ja põldpagu Tüüpilised portselanid sisaldavad 50% savi, 25% puhast kvartsliiva, 25% põldpagu. Keraamiliste detailide valmistamine-komponentidest vormitakse märga- ja kuivmenetluste teel detaile. Peamised meetodid on hürdoplastiline vormimine, vormivalu, pulbri pressimine. Järgneb kuivatamine. Kuivatamisel maht väheneb, sest vesi eemaldab savi kihtide vahelt. Niiskust ei tohi eemaldada liiga kiiresti, sest muidu kuivavad pinnakihid kiiremini ja pragunevad. Järgneb põletamine. Põletamisel osa alumosilikaate sulab ja voolab tühimikesse. Jahtumisel see osa klaasistub ja seob omavahel kristalsed osad.
13.Polümeeride tüübid. Termoplastid , vedelkristalsed polümeerid, termoreaktiivsed
polümeerid, elastomeerid Polümeerid liigitakse termokäitlemise järgi liigitatakse polümeerid termoplastilisteks ja termoreaktiivseteks. Termoplastid: lineaarsed või vähehargnenud polümeerid, mis korduvalt kuumutamisel pehmenevad ja jahtudes tahkestuvad. Võivad olla ja poolkristallilised Vedelkristalsed polümeerid: esinevad vedelas olekus korrastatud alad. Korrastus võib olla ühe-dimensionaalne või kahedimensionaalne. Vedelkristalses olekus võivad olla näiteks täisaromaatsed polüestrid ja täisaromaatsed polüamiidid.Termoreaktiivsed polümeerid: kõvastuvad kuumutamisel ja enam ei pehmene enne hävimist. Esmakordsel kuumutamisel tekivad ahelatevahelised rist-sidemed, mis ei katke . Siia kuuluvad tõelised termoreaktiivid ehk reaktoplastid, nagu fenool -formaldehüüdvaik ja melamiini-formaldehüüdvaik. Elastomeerid: väga paindunud, keerdunud ja pikk lineaarne ahel, mida on kerge sirgeks tõmmata. Lai elastne oleku piirkond ja suur elastne deformatsioon. Elastsusmoodul muutub mehaanilise pinge muutumisel. Pinge eemaldamisel taastavad nad oma esialgse pikkuse. Kummide termoreaktiivsus alvadub vastupanu kuumutamisel. Kummid saadakse elastomeeride harval ristseostamisel. Vulkaniseerimine likvideerib täielikult elastomeeride ahelate omavahelise libisemise ja laiendab elastse oleku piirkonda. Vulkaniseerimise põhirekatsioon on ristsidumine küllastamata sidemete arvel väävli abil. Kui ristsidemeid on palju, siis kumm jäigastub- tekib kõvakumm, mis on tõeline termoreaktiiv.
14.Polümeeride mehaanilised ja termomehaanilised omadused.
Omadused on sarnased metallidega. Erinevus on see, et polümeeridel sõltub deformatsioon jõu rakendamise kiirusest, samuti temo ja keskkonnatingimustest. Polümeeride tõmbetugevus võib olla väiksem või suurem kui elastsuspiir. Polümeeride elastsusmoodul ja tõmbetugevus võivad olla väga väikesed aga ka võrreldavad metallidega. Polümeeride venitavus võib olla väga suur. Amorfsed termoplastid võivad sõltuvalt temp olla kolmes olekus: klaasitaolises, viskoelastses ja viskoosses olekus. Slamistemp ja klaasitemo määratakse nagu klaasidelgi ruumala muutuse alusel sõltuvana temp. Mida väiksem on ahelate painduvus ja mida rohkem on ristsidemeid, seda kõrgem on klaasitemp. Mida suurem on molekulmass ,seda kõrgem on mõlema temp. Allpool klaasistumistemp on polümeerid veidi elastsed, ülelpool sulamistemp aga viskoossed. Sulamis- ja klaasistusmistemp vahel on nad omapärase olekus, mis on elastse ja viskoosse oleku vahepealne ja nim viskoelastseks olekuks. Viskoelastses materjalis toimub pinge rakendamisel algul elastne deformatsioon, seejärel hakkab toimuma viskoelastne deformatsioon ja voolamine . Pinge kadumisel kaob kohe elastne deformatsioon ja aeglaselt viskoelastne deformatsioon. Voolamise tulemusena tekkinud plastne deformatsioon säilib.
15.Polümeeride vormimine ja kasutamine
Termolastide korral on enamkasutatavateks meetoditeks ekstrusioon ja survevalu.Ekstrusioon- meetod, kus sula polümeer surutakse läbi vormiva otsiku konstantse ristlõikega tooteks Ekstrusioon-puhumisvormimisel surutakse materjalist ekstrudeeritud toru sulguva vormi poolte vahele ja puhutakse vormi õõnsuse kujuliseks. Survevalu korral surutakse sula polümeeri valuvormi ja tahkestatakse vormi õõnsuse kujuliseks tooteks. Saadakse keerulise kujuga tooted. Reaktoplastide korral kasutatakse survevalu, kui kõvenev polümeer on piisavalt vedel. Rohkem kasutatakse aga kuumpressimise mooetodit, kus lähtematerjalist pressitakse detail kuumutatavas vormis. Kasutamine- kasutamise kuju: plastid , kummid ja elastomeerid, kiud ja kiumaterjalid, liimi ja sedeained, pinnakattematerjalid, komposiitmaterjalid . Plastid: kasutatakse kompaktplastide sideainena ja kilematerjalina. Kasutatakse nii termoplatilisi kui termoreaktiivseid polümeere. Valmistatakse erinevaid detaile. Vahtplaste kasutatakse heli- ja soojusisaloatsiooniks ja pakke -materjalina. Kile: kasutatakse valmistamikse polüetüleeni, aga ka PVC-d ja polüpropüleeni, tsello -faani. Kummid: kasutamine -autode, mootorataste, traktorite jne rehvid , rihmad, jalanõud. Polü-siloksaanahelaga kautšuk. Temast saadavad kummid nim silikoonkummiks.Sünteetilised kiud: kasutatakse polümeere, mida saab tõmmata peenteks kiududeks. Tähtsamad: polüamiidid, polüester. Poolsünteetilistest polümeeridest kasutatakse atsetaat -tselluloosi. Looduslikud polümee-rid on puuvill , vill jt. Liimid : sobivad polümeerid, kuna neil on hea nakkuvus paljude materjalidega..
16.Osakestega tugevdatud komposiidid
Siin on dispergeeritud faasi osakeste mõõtmed enam-vähem ühesugused erinevates suundades. Suureks loetakse kui nad on suuremad molekulaarsetest mõõtmetest. Nanoosakesed on 10.100nm
Suurte teraliste osakestega komposiidid- Plastid—sisaldavad täiteaineid, teise rühma moodustavad betoonid, kus tsemendile on lisatud liiva või killustikku. Komposiitide tugevus sõltub keskkonna materjali ja dispergeeritud faasi osakeste vaheliste sidemete tugevusest. Komposiite valmistatakse kõige kolmest matejalist-metallidest, polümeeridest, keraamikast. Keraamikat kasutatakse oasakestena, mis annavad suurema tugevuse- metallikeraamika, kus keskkond on metall ja osakesed keraamilised. Vulkaaniseeritud kautšukile lisatakse tahma. See suurendab tõmbetugevust, sitkust ja kulumiskindlstu. Betoonidest on tuntumad tsementbetoon ja asfltbetoon. Tsementbetooni optimaalse tugevuste saavututamiseks peab sisaldama väiksemaid (liiv) ja suuremaid (killustik). Suurema tugevsue saavutamiseks lisatakse armatuuri ( traat ) saadakse raudbetoon. Nanoosakestega komposiidid- osakeste mõõtmed on makromolekulide ja kolloidosakeste suurusjärgus. Osakeste ja keskkonna vahelised sidemed on molekulaarsel tasemel meterjali tugevnemine toimub efekti tõttu: osakesed tekitavad materjali sisse suunatud jõud ja takistavad dislokatsioonide liikumist. Nanomõõtmetes dispergeeritud faasi osakeste lisamist kasutatakse metallide ja sulamite tugevamiseks.
17.Komposiitide kiudude ja keskkonna materjalid.
Kiude materjalid- valmistamiseks kasutatakse suure tugevusega materjale. Tähtis on kiu läbimõõt. Mida väiksem, sed suurem kompsiidi tugevus. Jämeduse aluselt jaotatakse: udemed , kiud ja traadid .
Udemed- peenikesed monokristallid. Praktiliselt ilm dislokatsioonideta ja tugevad. Ei kasutata eriti palju, sest kallid ja maatriksisse sisseviimine keeruline. Udemete valmistamise materjalid on grafiit, SiC ja Al2O3. Kiumaterjalid- kasutatakse klaasi.Neid kasutatakse väga palju trantspordis. Aramiid -kiud iga lüli sisaldab kaks benseenituuma, mis on ahelaks ühendatud süsiniku ja lämmastikuga aatomite kaudu, mille side ka vastavalt O ja H aatomitega.tõmbetugevus on suur, survetugevus väike. Töötemp on -200C-200C-ni.. Klaaskiud ja süsinikkiu kombinatsioon. Keskkonna materjalid- ülesanne on siduda omavahel kiudusid ja kanda neile üle mehaaniline pinge. Keskkond katise kiudusid kulumise ja väliskeskkonna eest. Valikul on tähtis tugev nakkumine kiududega.. kasut. peamiselt polümeere ja metalle, kuna keskkond peab omama venitavust. Keskkonna materjal määärab ära kompsiidi kasutamise temp. Polümeeridest kasutatakse polüestreid. Epoksüüdvaik.-odav.saadakse polümeer polükondensatsiooni teel hapete või alustega. Metallid- kerged materjalid ja nende sulamid: Al, Mg, Ti. Töötemp on kõrge.. Eriti kõrge töötemp on supersulamite keskkon -naga, milles kiududeks on peenikesed volframtraadid ( turbiinid ). Süsinik- süsinikkiud valatakse üle polümeeriga, töödeldakse detailiks ja allutatakse siis pürolüüsile. Pürolüüsi käigus laguneb polümeer süsinikuks ja gaasiliseks aineks. Valmistamine kallis ja keeruline, kasutamine piiratud.
18.Kiududega tugevdatud komposiitide valmistamine. Kihilised komposiidid.
Tõmbamismeetod-materjalid, mis on pidevad ja ühtlase ristlõikega (vardad, torud) kiudude kimp tõmmatakse läbi immutusvanni, immutamine termoreaktiivse vaiguga. Läbib terasvormi. Järgneb kuumutusvorm, toimub vaigu polümerisatsioon. Kuumpressimine- kiud koos termoreaktiivse vaiguga pressitakse kalandrite ja kahe paberikihi vahel. Üks jääb kandekihiks, teine eemaldatakse. Kumutamistemp on madal. Saadavad lindid keeratakse rulli. Lõplik saadakse aluspaberi eemaldamisega ja lindi kandmine alusele kuumpressi teel. Kerimine- sildriliste kujundite valmistamine. Vaiguga immutatud kiud keritakse alumisele mitmes kihis. Pärast kermist toimub kuumutamine ja eemaldamine aluses. Kihilised kompsiidid- koosnevad erinevatest kihtidest, mis võivad olla kompsiidid. Tasapinnalised kihilised kompsiidid- asetatakse kohakuti kihid, millel on suurim tugevus erinevas suunas. Kihid võivad olla puidust, paberist jne. Ühendadakse liimi või sideaine abil.(näited: tekstoliit on sama, ainult paberi asemel on puuvillane riie., klaasitekstoliit on sama epoksüüdvaiguga immutatud klaasriide kuumpressimise teel).kasutatakse trükiskeemide alusmaterjalina. Sandwich-tüüpi paneeli- koosnevad kahest tugevast lehest, mille vahel asub väi- kese tihedusega ja tugevusega kiht. Väiskohid on metall-lehed. Keskmine on vahtplast , kumm jne.
19.Metallide elektrijuhtivus ja ülijuhtivus
Metallide elektrijuhtivus Metallides on suur vabade elektronide arv – kõigi kristalli aatomite valentselektronide arv – ja see ei sõltu temperatuurist. Metalli erijuhtivus on määratud vabade elektronide kontsentratsiooniga n ja nende liikuvusega. Lisandid ja defektid suurendavad elektronide hajutamist, vähendavad liikuvust ja seega ka erijuhtivust. Metallide korral kasutatakse juhtivuse iseloomustamiseks rohkem eritakistust. Eritakistust seega lisandid ja defektid suurendavad. Eritakistuse sõltuvus temperatuurist. Temperatuuri tõusul elektronide liikuvus väheneb, kuna hajutamine aatomite poolt suureneb. Samal ajal elektronide kontsentratsioon ei muutu, seega eritakistus kasvab. Ülijuhtivus Suuremal osal ülipuhastel metallidel väheneb eritakistus temperatuuri lähenemisel 0 K-le mingile väikesele väärtusele ρ0 (joon 12-9). Mõnedel metallidel (nagu joonisel Hg) saab eritakistus peaaegu võrdseks nulliga juba enne 0 K saavutamist. Selliseid materjale nimetatakse ülijuhtideks ja nähtust ülijuhtivuseks.Kõigist tuntud metallidest umbes pooltel esineb ülijuhtivus, kuid ülijuhtivuse tekkimise temperatuur on erinev ja asub vahemikus 0,01 K ( volfram ) kuni 9,2 K ( nioobium ). Ülijuhis praktiliselt puudub energiakadu . Peale metallide on ülijuhtivus leitud ka mitmetes ühendites, kusjuures tunduvalt kõrgemal temperatuuril. Ülijuhtivad materjalid on äärmiselt perspektiivsed elektrienergia ülekandmisel, neid kasutatakse ülijuhtivates magnetites suure energiaga osakeste kiirendamisel, projekteeritavas termotuuma- elektrijaamas jne.
20.Dielektrikud ja isolatsioonimaterjalid.
Dielektrikud
Polarisatsiooni iseloomustab joonis 11-18. Kondensaatori mahtuvus avaldub C = Q / U (11.8) kus Q on laeng kondensaatori plaadil. Mida suurem on dielektriline läbitavus, seda suurem on kondensaatori mahtuvus. Peamised polarisatsiooni liigid A – elektronpolarisatsioon – elektronpilve deformatsioon. B – ioonide polarisatsioon – ioonide nihkumine võresõlmedest välja. C – orientatsioon-polarisatsioon – polaarsete molekulide orienteerumine välise välja suunas.
Puhtad dielektrikud ei sisalda vabu laengukandjaid ja ei oma juhtivust. Reaalsed dielektrikud sisaldavad alati lisandeid, mis tekitavad teatud juhtivuse. Kõrgematel temperatuuridel on võimelised liikuma ka dielektriku ioonid (kui ta on ioonilise ehitusega) ja tekib ioonjuhtivus. Dielektrikuid kasutatakse elektriisolatsioonimaterjalidena ja kondensaatorite dielektrikuna. Isolatsioonimaterjalil peab olema võimalikult suur eritakistus ja väike dielektriline läbitavus st ta peab olema mittepolaarne . Peale selle on oluline veel nn läbilöögipinge Ul, so pinge, mille juures materjal kaotab oma isoleerivad omadused. Polümeeridest on paremad elektriisolatsiooniomadused mittepolaarsetel ja vähepolaarsetel: polüetüleenil, polüstüroolil ja teflonil. Polaarsetest lineaarsetest polümeeridest kasutatakse polüvinüülkloriidi (PVC), orgaanilist klaasi jne. Nende elektroisolatsiooniomadused on veidi halvemad (eritakistus umbes 2 suurusjärku väiksem). Vilk on looduses esinev kristalne aine, mis on kihilise ehitusega (laguneb kergesti õhukesteks kihtideks). Keemiliselt koostiselt on vilk mitmesuguste kristallvett sisaldavate alumosilikaatide segu, millest tähtsamad on: - muskoviit - flogopiit Muskoviit on läbipaistev aine ja üldse üks paremaid elektriisolatsioonimaterjale.
21.Valguse koosmõju tahke kehaga . Metallide optilised omadused.
Valguse koosmõju tahke kehaga Kui valgus läheb ühest keskkonnast teise (näiteks õhust mingisse tahkesse materjali), siis juhtub nii mõndagi. Osa valgusest võib läbida selle tahke materjali, osa neelduda (absorbeeruda) selles ja osa peegelduda keskkondade piirpinnalt. Materjale, mis lasevad suurema osa pealelangenud valgusest läbi ( neeldunud ja peegeldunud osa on väike) nimetatakse läbipaistvateks. Läbipaistmatud materjalid neelavad või peegeldavad kogu pealelangeva valguse. Osa materjale laseb küll valgust mingil määral läbi, kuid mitte otse, vaid hajunud kujul. Sellised materjalid näivad matid.Metallid on läbipaistmatud, isolaatorid on tavaliselt läbipaistvad, pooljuhid võivad olla nii läbipaistvad kui ka läbipaistmatud. Metallide optilised omadused Suur tühjade elektronide energianivoode olemasolu metallides veidi kõrgemal täidetud nivoodest tingib selle, et metallid neelavad kogu pealelangeva nähtava valguse (joon 12-2 a). Footonid annavad oma energia elektronidele, ergastades nad kõrgematele tühjadele nivoodele. Seetõttu on metallid läbipaistmatud kogu elektromagnetilise kiirguse pikemalainelisele osale kuni ultravioletse kiirguse keskosani. Metallid on läbipaistvad röntgen- ja gammakiirguse suhtes. Suurem osa neeldunud valgusest kiiratakse metalli poolt uuesti välja. Ergastatud elektronid lähevad tagasi madalamatele tühjaks jäänud nivoodele ja kiirgavad välja footoni ligikaudu sama lainepikkusega (joon 12-2 b). See on samaväärne valguse peegeldumisega. Metallid (eriti lihvitud ja poleeritud pinnaga) peegeldavad umbes 90 – 95 % pealelangevast valgusest. Ülejäänud osa kiirguse energiast eraldub soojusena. Selle tõttu on peegeldunud valgus veidi väiksema footoni energiaga pikema lainepikkusega). Sellise protsessi tulemusena omavad suurem osa metalle hõbedast värvust, kui neid valgustada valge valgusega. Mõnede metallide peegeldusspektris on rohkem pikema-lainelist valgust, mistõttu nad on kollase värvusega ( kuld ) või punakas-oranži värvusega (vask).
22.Materjali värvus. Polümeeride ja komposiitide optilised omadused.
Materjali värvus Valguse neeldumistegur läbipaistvas materjalis sõltub valguse lainepikkusest. Joonisel 12-7 on toodud peegeldunud, neeldunud ja läbinud valguse osakaal rohelises klaasis Kui materjal neelab kõiki lainepikkusi ühtlaselt, siis on ta värvitu, nagu näiteks ülipuhas klaas, ülipuhas monokristalne teemant ja safiir (Al2O3). Dielektrikutes tekib neeldumine ja sellele järgnev kiirgamine juhul, kui on sisse viidud lisandeid, mis tekitavad lubatud energiaga nivoosid keelu-tsoonis. Rubiini värvust ei määra aga mitte niivõrd läbinud valguse lainepikkused, kuivõrd valguse poolt ergastatud elektronide tagasilangemisel valentstsooni (läbi lisandinivoode) eralduv kiirgus. Värvilise klaasi saamiseks lisatakse talle erinevaid ioone (vt p 8.5). Materjali värvus langeva valguse poolsel küljel on määratud peegeldumisteguri sõltuvusega lainepikkusest. Näiteks joonisel 12-7 toodud roheliselt klaasilt peegeldub valgus kõige rohkem samadel lainepikkustel, kus läbibki.
Polümeeride ja komposiitide optilised omadused Polümeerides ja komposiitides on tavaliselt kristalsed osad suurema murdumisnäitajaga ja amorfne keskkond väiksema murdumisnäitajaga. Tulemusena suur osa valgusest materjalis hajub (peegeldub ja murdub) ning materjali läbipaistvus väheneb. Selline materjal on valges valguses matt (joon 12-6).
23.Materjalide soojuslikud omadused: soojusmahtuvus , soojuspaisumine ja soojusjuhtivus .
Soojusmahtuvus- keskimine soojusmaht on soojushulk Q, mida tuleb anda, et tõsta materjali temp 1 kraadi võrra. Tegelik soojusmahtuvus C on piirväärtus, millele läheneb keskmine soojusmahtuvus, kui temp vahemik T läheheb nullile. Soojusmahtuvus on seotud kristall võre sõlmades olevate osakeste võnkumisega,toimuvad tasakaaluasendis ümber suure sagedusega ja väikese amplituudiga. Naaberosakeste võnkumine on omavahel seotud, kritallis tekib lainetus . Võnkeenergia ei oma igasugust väärtust. Võnkumis intensiivsus temp alanemisel väheneb, soojusmahtuvus väheneb. madalatel temp kasvab soojusmahtuvus kiiresti C=AT3.suurim soojusmahtuvus on polümeersetel materjalidel, väiksem keraamilistel ja metallidel. Al on metallidest suurem. Soojuspaisumine- osa materjale paisub temp tõusul. Atomaarsel tasemel tähendab materjali paisumine aatomitevahelise kauguse suurenemist, selgitatakse aatomite potentsiooalse energia sõltuvusega aatomite vahelisest kaugusest. Koos energi kasvuga kasvab ka vibratsiooni amplituud . Kuna potentsiaalse energia sõltuvus vahekaugusest on ebasümmeetriline, siis suureneb temp tõusul ka keskmine vahekaugus. Mida tugevam on sida aatomite vahel, seda järsem ja kitsam on potentsiaali auk. Suurim paisumine esineb polümeeridel, väiksem metallidel, veel väiksem keraamilistel materjalidel. Soojusjuhtivus- materjali soojusjuhtivus iseloomustab soojusjuhtivuse tegur k, see on võrdteguriks soojusvoo J avaldises: J=-k*dT/dx. Soojusülekanne toimub: 1( kritallvõre võnkeenergia ülekandumisena; 2)vabade elektronide energia plekandumisena. Metallidel on peamine ülekandemehhanism vabade elektronide abil. Metallide soojusjuhtivus on suurim.
24. Ferromagnetism ja ferrimagnetism.
μ on vaakumi magnetiline läbitavus. Sõltuvalt μ väärtusest jaotatakse materjalid kolmeks:
1) ferromagneetikud ( magnetmaterjalid )mille μ r >> 1. 2) paramagneetikud, mille μ r ≥ 1
3) diamagneetikud, mille μ r ≤ 1 Magnetmomentide tekkimine magnetmaterjalides on seotud elektronide spinnidega. Ferromagneetikutes esinevad makroskoopilised osad – domeenid – mille piires on kõigi elektronide spinnid orienteeritud paralleelselt (joon 13-4). Üksikud domeenid on orienteeritud juhuslikult, mistõttu materjalil summaarne magnetmoment puudub.
Magnetilise induktsiooni sõltuvust materjalis välise magnetvälja tugevusest B = f(H) nimetatakse
magneetimiskõveraks (joonised 13-5 ja 13-7). Magneetimisel toimub kaks efekti: 1) domeenide kasv (kasvavad need domeenid, mille orientatsioon on lähedane välise magnetvälja suunale); 2) domeenide magnetmomentide pöördumine välise välja suunda. Magneetimiskõveralt saab leida magnetilise läbitavuse μ. Ferrimagneetikud erinevad ferromagneetikutest selle poolest, et neis on osa spinne orienteeritud vastupidises suunas ja nende magnetmomendid on väiksemad (joon 13-9c). Neid nimetatakse ferriitideks. Tüüpiline esindaja on magnetiit Fe3O4 . Nende μ ja Bs on veidi väiksemad kui ferromagneetikutel. Magnetilised omadused (näiteks μ) sõltuvad temperatuurist. Ülalpool teatud temperatuuri (Curie temp) ferromagnetilised omadused kaovad, kuna domeenide struktuur kaob.
25. Magnetmaterjalid
Tüüpilised ferromagnetilised materjalid on Fe, Co ja Ni. Mitmed keraamilised materjalid (ferriidid)
on ferrimagneetikud. Magnetmaterjalid jaotatakse magnetiliselt pehmeteks ja magnetiliselt kõvadeks. Erinevus on hüstereesisilmuses Magnetiliselt pehmeid materjale kasutatakse vahelduvas magnetväljas ( trafode ja poolide südamikud jne). Kuna esinevad energiakaod pöörisvoolude tekkimise tõttu, siis eelistatakse suurema eritakistusega materjale. Kasutatakse järgmisi materjale: 1) Ülipuhas raud 2) Elektrotehniline lehtteras:. 3) Permalloidid – Fe ja Ni sulamid. 4) Ferriidid .
Magnetiliselt kõvasid materjale kasutatakse püsimagnetite, magnetlintide ja magnetiliste
mäluelementide valmistamiseks. Kasutatakse järgmisi materjale: 1) legeeritud ja karastatud terased;
2) magnetiliselt kõvad sulamid (näit alniko Fe – Al – Ni – Co); 3) magnetiliselt kõvad ferriidid.
Nende tähtsaim omadus on väljapoole antav maksimaalne energia, mis võrdub korrutise B·H
maksimumiga. See on leitav hüstereesisilmuse neljandast sektorist (joon 13-11) Suurima energiaga on alniko, SmCo5 ja eriti mõned ferriidid (Nd2Fe14B).