UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA

1. 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

2. Young's Modulus - Density

3. Strength - Cost • 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

4. Strength - Elongation • 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

5. Strength - Max. service temperature • 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

6. Recycle Fraction - Cost

7. 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)

8. REŢELE CRISTALINE Sisteme cristaline: retelele Bravais7 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(planecu densitate atomica maxima).Numar mare de plane de alunecare → plasticitate bună.

9. REŢELE CRISTALINE INDICII MILLER

10. DEFECTE IN CRISTALELE REALE

11. DEFECTE IN CRISTALELE REALE BENZI DE ALUNECARE IN CRISTALE Cadmium crystal after deformation to 100 % strain

12. 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

13. 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).

14. MECANISMUL DE DEFORMARE PRIN ALUNECARE Cristal fixat la capete Cristalul după deformarea plastică prin tracţiune. Alunecarea se produce în plane distincte paralele Localized deformation of a tensile structured aluminum wire of 25µm diameter Legea lui Schmid 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 )

15. 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.

16. CONCLUZII: ALUNECARE vs. MACLARE Agregat policristalin – ansamblu de cristalite cu orientare diferită a reţelei. 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°

17. Scanning Tunneling Microscope Image of Iron in the (110) plane

18. 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. 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 acul-detector 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. 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.