متالورژی فیزیکی 2
پایان ترم 14نمره
حضور غیاب-فعالیت کالسی و میان ترم 6نمره
فصل اول مقدمه
فصل دوم آنیل یا بازپخت
فصل سوم جوانه زنی و رشد
فصل چهارم رسوب سختی
فصل پنجم استحاله های یوتکتوییدی در فوالدها
Structure and Property correlation
Solid-solid Phase transformation
طبقه بندی مواد مهندسی
مواد مهندسی
فلزات
آلیاژهای آهنی
سرامیک ها
پلیمر ها
کامپوزیت ها
آلیاژهای غیر آهنی
•یکی از مشخصات بارز حالت جامد این است که جامدات حقیقی ساختمان بلوری
(کریستالی) دارند.
semiconductor
New ways of combining materials, particularly at the nanoscale, in order to obtain new functionality, with
particular attention to ways to routinely combine inorganic and organic or even biological materials;
پیوندهای بلوری
(Crystal Binding)
عامل ایجاد پیوند
• همه اتم ها سعی دارند ساختار اتمی گازهای خنثی را
بدست آورند :نیروی محرکه واکنش ها.
• ساختار گازهای خنثی با ایجاد پیوند با دیگر اتم ها حاصل
می شود.
دستهبندی مواد مهندسی بر اساس نوع پیونددهای اتمدیشدان
انجام می شود.
جامدات بلورین به 4گروه تقسیمبندی میشوند:
• جامدات یونی
• جامدات کئواالنسی
• جامدات فلزی
• جامدات واندروالسی )(Van der Walls
پیوند یوني Ionic Bonding
پیوند یونی (الکتروواالنس) با انتقال الکتدرون هدا تشدکیل مدی
شود.
مثال اتم سددیم یدا الکتدرون و کلدر هلدت الکتدرون در پوسدته
بیرونی خود دارند.در پیوند یونی ،سدیم الکترون بیروندی خدود
را به اتم کلر منتقل می کند و به یدون Na+مبددل مدی شدود کده
آرایش پایداری شبیه به یا گاز کامل است.
اتم کلر همزمان الکترون منتقل شده را دریافت کرده و به یدون
Clکه آن نیز ساختار گاز کامل را دارد تبدیل می گردد.جاذبه الکتروستاتیکی دو یون تشکیل شده ،موجب تشکیل پیوند
یونی بین آن ها می شود.
پیوند فلزي
• در پیوندهای فلزی اشتراك عمومی الکترون ها وجود دارد.
• عناصر فلزی عموما ظرفیت پایینی دارند و الکترون های ظرفیدت
در سراسر ساختمان فلز تقسیم می شوند.
• در بلورهای فلزی ،یون هدای فلدزی مثبدت توسدر ابدر (یدا گداز)
الکترونی در کنار یکدیگر نگه داشته می شوند.
• ابر الکترونی کلیه یون های فلزی مثبت را در تمام جهدات جدب
می کند تا یون ها به فشرده تدرین حالدت ممکدن برسدند .نظدر بده
اینکه بیشترین عدد همسایگی در ساختارهای بلوری فشرده وجود
دارد ،لبا فلزات در این ساختارها متبلور می شوند.
خصوصیات بلورهاي فلزي
• هدایت الکتریکی و حرارتی این جامدات زیاد است.
• این جامدات قابلیت شکل پبیری مناسبی دارند.
• فلزات تمایل به متبلور شدن در بلورهاي بسیار متراکم دارندد
و داراي ساده ترین ساختار بلوري هستند.
نوع پیوند
مالحظات
انرژی پیوند
یونی
زیاد
غیر جهت دار
کئواالنسی
متغیر
زیاد مثل الماس
(سرامیا ها)
جهت دار
(نیمه هادی ها ،سرامیا ها و زنجیره های
پلیمری)
فلزی
کم مثل ید
متغیر
زیاد مثل تنگستن
غیر جهت دار
(فلزات)
کم مثل جیوه
واندروالس
کمترین
جهت دار
بین زنجیرهای پلیمری و بین ملکول ها
مواد را از نظر نظم اتمی می توان به سه دسته تقسیم کرد:
1مواد بی نظم :مثل گازها
2مواد با نظم بلند دامنه(کریستال) :در این مواد (کریستال ها) ،اتم ها در طی فاصله های طوالنی اتمی دارای نظم تکرار
شونده یا آرایش پریودی هستند.
در واقع طی انجماد ،اتم ها خود را در یا الگوی سه بعدی تکرار شونده آرایش می دهند به صورتی که هر اتم با
نزدیا ترین اتم همسایه پیوند دارد .در این مواد ،عدد همسایگی برای اتم های بالا در سرتاسر کریستال حلظ می
شود.
3مواد با نظم کم دامنه (آمورف) :در این مواد نظم اتمی تا چند فاصله ی اتمی حلظ می شود و عدد همسایگی متغیر
است.
یکی از روش های تهیه مواد آمورف فلزی ،سریع سرد کردن مبا آنها با سرعت هایی بسیار باال است
اتمها فرصت کافی برای آرایش منظم در موقعیت های مشخص اتمی را ندارند.
Body Centered Cubic (BCC) ساختار مکعبی مرکز دار
ساختار مکعبی با وجوه مرکزدار
)Face Centered Cubic (FCC
مقایسه آرایش اتمی در ساختمان کریستالی فلزات
Rرابطه
aاتمی و
تراکم
فضایی
تعداد صلحات
متراکم
a 2R
0.52
a
0.68
3
}3 {100
><100
}4 <111> 6 {110
8
4R
a
2
0.74
}6 <110> 4 {111
12
a 2R
0.74
4R
3
تعداد جهات
متراکم
عدد
همسایگی
تعداد اتم در
سلول واحد
6
1
SC
2
BCC
4
FCC
ساختمان
)3 11 2 0 1 (0001
12
6
HCP
منحنی تنش-کرنش
تعریف برخی مفاهیم پایه در متاورژی فیزیکی
فاز
محلول جامد
آلوتروپی در آلیاژها
عیوب حجمی
Point Defect
Line defect
Dislocation
Surface defect
Grain boundaries
Twin boundaries
Diffusion نفوذ
Example: Diffusion of Ni-Cu
نفوذ در آلیاژها در آلیاژها اتمها تمایل دارند از محلهای با غلظت بیشتر به غلظت کمتر حرکت کنند
بعد از گذشت زمان
در شروع
غلظت
غلظت
مکانیزم های نفوذ
•
نفوذ جاخالی یا نفوذ جانشینیVacancy or Substitutional diffusion :
•
نرخ نفوذ به:
ناخالصیهای جانشینی و اتمهای ماده خالص با این مکانیزم جابجا می شوند
تعداد عیوب جاخالی
انرژی فعالسازی برای جابجایی
قانون اول فیک :Fick’s first lawنفوذ پایا
• اگر شار عبوری نسبت به
زمان ثابت باشد نفوذ پایا
خواهد بود.
• قانون اول فیک:
ضریب نفوذ
پروفیل غلظت
غلظت ذرات نفوذ کننده
گرادیان غلظت •
نفوذ ناپایاNon-steady state diffusion :
غلظت ذرات نفوذ کننده
• رابطه بین غلظت ،زمان و مکان در پدیده های نفوذ ناپایا طبق قانون دوم فیک با معادله دیفرانسیل
زیر مشخص می شود که در آن ) C(x,tتابعی از زمان و مکان است.
• شرایط اولیه و شرایط مرزی حاکم بر مسئله ،بصورت زیر در نظر گرفته می شوند
استفاده از نفوذ در تولید
• سختی پوسته ایی:
• با نفوذ دادن اتمها در فوالد کم کربن
• که این یک مکانیزم نفوذ بین نشینی است
• سطح فوالد پرکربن و مغز فوالد کم کربن
می شود
• تولید قطعات با سطح سخت و مغز نرم
امکان پذیر می شود
• استفاده در تولید چرخدنده ها
استفاده از نفوذ در تولید
• آمیختن سیلیکون نوع Pدر نیمه هادی های
نوع N
• فرایند:
• جایگذاری الیه Pبر روی نیمه هادی
• گرم کردن
• نتیجه :ایجاد ناحیه ایی تلغیظ شده با نیمه
هادی نوع P
1. Deposit P rich
layers on surface.
silicon
2. Heat it.
3. Result: Doped
semiconductor
regions.
silicon
49
جوش نفوذی )Diffusion welding (DFW
• یک عملیات جوشکاری در حالت جامد است که دو فلز متفاوت در دمای 50تا 90
درصد نقطه ذوب شان و تحت فشار بهم جوش می خورند
فاکتورهای موثر بر نفوذ
• با توجه به معادله روبرو که مقدار
ضریب نفوذ از آن بدست می آید و
مشخص کننده نفوذ پذیری اتمهاست
فاکتورهای موثر بر نفوذ
• دما
• اتمهای نفوذ کننده و اتمهای شبکه میزبان
• خواهند بود
ضریب مستقل از دما
انرژی فعالسازی
ضریب ثابت گازها
دمای مطلق