KYP0040 MATERJALITEADUSE ÜLDALUSED - tud.ttu.ee

KYP0040 MATERJALITEADUSE ÜLDALUSED
1. SISSEJUHATUS
1.1 Materjalide kasutamise ajalugu ja tähtsus
Aine ja materjali mõistete erinevus.
Meie igapäevane elu ja töökeskkond on suuremal või vähemal määral mõjutatud materjalidest,
nende kvaliteedist ja hinnast, seejuures tunduvalt rohkem, kui me seda tunnetame. Materjalidest
tulenevad ka varase inimühiskonna arenguetappide nimetused: kiviaeg, rauaaeg, pronksiaeg jne.
Oma varases arengus tundis inimene vaid looduslikke materjale: kivi, savi, puit, nahk jne. Edasi
õpiti valmistama materjale, mis olid paremad: portselan, metallid. Edasi leiti, et materjalide omadusi
saab muuta termilise töötlemise ja teiste materjalide lisamisega. Materjalide täiustamine toimus
selektsiooni (proovimise) teel.
Viimase 100 aasta jooksul hakati uurima seoseid materjalide struktuuri ja omaduste vahel. Uute
materjalide arv hakkas kiiresti kasvama: metallide sulamid, plastid, klaasid, fiibrid jne.
Igasuguse uue tehnoloogia areng sai võimalikuks peamiselt tänu sobivate materjalide
väljatöötamisele. Näiteks autotööstus arenes tänu odava terase olemasolule, elektroonikatööstus tänu
pooljuhtmaterjalide avastamisele jne.
1.2 Materjaliteadus ja materjalitehnoloogia
Materjaliteadus (materjaliõpetus) uurib sõltuvusi materjalide struktuuri (ehituse) ja omaduste vahel.
Materjalide tehnoloogia, kasutades neid sõltuvusi, püüab valmistada sellise struktuuriga materjale,
mis omaksid vajalikke (etteantud) omadusi.
Materjali struktuur on tema koostisosade ehitus.
Struktuuri saab käsitleda:
- sub-aatomtasemel;
- aatomtasemel;
- mikroskoopilisel tasemel;
- makroskoopilisel tasemel.
Materjali omadus on tema käitumine mingi välismõju toimel (vastumõju välismõjule). Tahkete
materjalide tähtsamad omadused on: mehaanilised, elektrilised, optilised, soojuslikud ja
magnetilised omadused. Lisaks omadustele tuleb praktikas arvestada ka materjali hinda.
Mida rohkem tuntakse erinevate omadustega materjale, mida rohkem on teada seoseid materjalide
struktuuri ja omaduste vahel, mida rohkem tuntakse materjalide valmistamise tehnoloogiaid, seda
rohkem on võimalusi leida mingiks otstarbeks enim sobivat materjali. Materjali valik on alati
kompromiss tema erinevate omaduste ja hinna vahel.

1.3 Materjalide klassifikatsioon
Tahked materjalid on kas metallid, polümeerid või keraamika. Peale nende on segud (komposiidid)
ja pooljuhtmaterjalid (unikaalsete elektriliste omadustega).
Metallid.
Metallidele on iseloomulik suur peaaegu vabade elektronide kontsentratsioon, mis tingib peamised
omadused: suur elektri- ja soojusjuhtivus, läbipaistmatus valgusele. Metallid on tugevad,
mittedeformeeruvad materjalid, mis tingib nende intensiivse kasutamise nn konstruktiivse
materjalina.
Keraamika.
Keraamilised materjalid on paljude ainete (kristalsete ja mittekristalsete) keerulised segud.
Keemiliselt koostiselt peamiselt oksiidide, aga ka nitriidide ja karbiidide segud. Siia kuuluvad savi
sisaldavad materjalid, tsement ja klaas. Nad on halvad elektri- ja soojusjuhid, vastupidavad kõrgele
temperatuurile ja karmile keskkonnale. Küllalt kõvad, kuid rabedad.
Polümeerid.
Polümeerid on looduslikud või sünteetilised kõrgmolekulaarsed ühendid. Suurem osa on
orgaanilised ühendid, mis omavad süsinikahelat, aga ka räniahelat. Looduslikeks on: vill, puuvill,
puit (tselluloos), siid, looduslik kautšuk. Sünteetilisi polümeere on äärmiselt palju.
Komposiidid.
Komposiidid on mitmete materjalide segud. Püütakse koostada nii, et säiliksid eri komponentide
head omadused. Näit klaasfiiber, mis koosneb klaasi kiududest mingis polümeeris. Tal on klaasi
tugevus ja polümeeri painduvus.
Pooljuhid.
Nimetus on tulnud sellest, et nende juhtivus on metallide ja isolaatorite vahepeal.
Nende kõige iseloomulikum tunnus on see, et nende omadused sõltuvad äärmiselt tugevalt
lisanditest. On väga tundlikud välismõjude (soojus, valgus, elektri- ja magnetväli) suhtes.
1.4 Tendentsid materjalide kasutamise alal
Materjalid võistlevad üksteisega koha pärast materjaliturul.
Materjalide eelistuse määravad omaduste vastavus valmistatavatele toodetele esitatavatele nõuetele
ja materjali hind.
Joonisel 1-1 on toodud areng kergete ja tugevate materjalide turul. Peamisteks materjalideks
viimasel ajal on komposiidid, eriti kiududega tugevdatud (fiibrid).
Joonisel 1-2 on esitatud 7 põhimaterjali tootmise dünaamika USA-s möödunud sajandil. Alates
1930-st aastast on kasvanud Al ja eriti tugevalt polümeeride tootmine.
Materjalide konkurentsi kohta on heaks näiteks autotööstus. Kui algaastail koosnesid autod
peamiselt terasest, siis möödunud sajandi lõpuks oli autodes keskmiselt veel 50 – 60% terast, 10 –
20% plaste ja kummit, 5 – 10% alumiiniumi ja vähesel määral teisi materjale (joonis 1-3).
Tehnoloogia areng püstitab järjest uusi nõudmisi materjalide omaduste suhtes. Eriti puudutab see
energeetikat (ülijuhid, päikeseelementide materjalid, tuumaenergeetika materjalid), samuti
2

keskkonnaseisundi kontrolli (andurid, mis on tundlikud igasuguste saastainete suhtes) ja mootoreid
(kuumakindlus, kulumiskindlus).
Tänapäeva maailmas on suureks probleemiks energia tootmine. Taastumatute energiaallikate (nafta,
gaas, kivisüsi, põlevkivi) varude piiratus koos üha suurenevate keskkonnaprobleemidega on teinud
vajalikuks välja töötada uued tehnoloogiad energia tootmiseks. Päikeseenergia otsene muundamine
elektrienergiaks võiks olla keskkonnasõbralikuks alternatiiviks, kuid materjalid, mida praegu selleks
kasutatakse, on liiga kallid ja töötavad liiga väikese kasuteguriga. Seega on väga tähtis välja töötada
odavamad kõrge efektiivsusega materjalid päikeseelementidele.
Mitmed maailma arengu prognoosid eeldavad päikeseenergia ajastut vahemikus 2020 – 2050, mil
taastumatute energiakandjate varud on ammendumas. Samal ajal juhitaval tuumasünteesil
baseeruvat energeetikat ei loeta perspektiivseks enne 2050. aastat. Tuumaenergeetika nõuab
reaktorite konstrueerimiseks ja kaitsekihtideks üha uusi materjale.
Autode, lennukite, rongide kaalu vähendamine koos kütuse kokkuhoiuga nõuab järjest uusi
materjale.
Polümeersete materjalide tehnoloogias on tulevikutendentsiks uute kergete ja odavate materjalide
väljatöötamine, mis asendavad konstruktsioonimaterjalidena metalle. Materjalide hinna võrdluses on
plastid kõige odavamad konstruktsioonimaterjalide hulgas kuumvaltsitud teraste järel (joonis 1-4).
Keraamiliste materjalide tehnoloogia põhitähelepanu on pööratud uute materjalide väljatöötamisele,
mis omaksid kõrgendatud temperatuuri- ja kulumiskindlust. Eriti perspektiivsed on komposiidid,
mis võimaldavad ühendada erinevate materjalide häid omadusi. Valdav tendents on nanoosakeste
kasutamine komposiitides.
Paljude materjalide lähteainete ressursid looduses on piiratud. Eriti polümeeride, mida valmistatakse
peamiselt naftasaadustest. Vaja on tehnoloogiaid, mis võimaldaks kasutada uute materjalide
valmistamiseks sekundaarset toorainet. See on võib-olla materjaliteadlaste ja inseneride kõige
tähtsam ülesanne.
1.5 Keemiline side tahketes materjalides
1.5.1 Primaarsed (keemilised) sidemed
Tahketes materjalides esineb 3 tüüpi keemilist sidet: iooniline, kovalentne ja metalliline. Kõigis
võtavad sideme moodustamisest osa väliskihi e valentselektronid. Üldiselt tulenevad kõik 3 sidet
aatomite püüdest moodustada stabiilset elektronstruktuuri, nagu on inertgaasidel.
Iooniline side
Tekib metalli ja mittemetalli aatomite vahel. Metallid annavad kergesti ära, mittemetallid võtavad
juurde valentselektrone. Mõlemad aatomid muutuvad iooniks ja omandavad stabiilse elektronstruktuuri,
kus väliskihis on 8 elektroni (joon 1-5). Ioonide vahelised elektrostaatilised (kulonilised)
tõmbejõud tingivadki sideme tekkimise (joon 1-6).
Iooniline side ei oma suunda. Seetõttu püsiv juhul, kui iooni ümbritsevad ainult vastasmärgilised
ioonid. Iooniline side ei oma küllastust. Seetõttu on ioonse sidemega ainetes lähimate
naaberosakeste arv võimalikult suur ja määratud geomeetriliste faktoritega.
3

Sideme energia on vahemikus 3 – 6 eV (1 eV = 1,6ּ10 -19 J), seega küllalt suur. Seetõttu omavad
ioonse sidemega ained kõrgeid sulamistemperatuure (vt tabel 1-6), nad on kõvad ja rabedad,
elektriliselt ja soojuslikult isolaatorid.
Iooniline side on peamine side näit keraamilistes materjalides.
Kovalentne side
Stabiilne elektronstruktuur tekib ühiste elektronpaaride tekkimise teel. Näide: metaani molekul (joon
1-7). Pärast ühiste elektronpaaride tekkimist on vesinikul välikihis 2 elektroni (nagu He-l), süsinikul
8 elektroni. Tegelikult toimub ühiste elektronide elektronpilvede kattumine
Kovalentne side omab suunda. Tekib suunas, kus toimub elektronpilvede suurim kattumine. Joonisel
1-8 on esitatud sidemed, mis on tekkinud erinevate elektronide (s, p, d) elektronpilvede kattumisel.
Kovalentsete sidemete arv, mida üks aatom võib moodustada, on määratud väliskihis olevate
elektronide arvuga. Seega kovalentne side omab küllastust. Aatomi lähimate naabrite arv on
määratud sidemete arvuga.
Kovalentne side esineb:
- sama elemendi aatomite vahel gaasimolekulides (H 2 , Cl 2 jne);
- erinevate mittemetallide aatomite vahel anorgaanilistes ja orgaanilistes ühendites (H 2 O, HF,
CH 4 , CH 2 = CH 2 jne);
- elementaarsetes tahketes ainetes (räni, teemant);
- polümeerides.
Kovalentne side süsinikuga võib olla üksikside (tekib 1 ühine elektronpaar), kaksikside (2 ühist
paari) ja ka kolmikside (3 ühist paari).
Sidemed süsiniku aatomitega on tavaliselt hübriidsidemed (elektronpilved on hübridiseerunud).
Üksiksidemete korral s ja p elektronide vahel tekivad neli hübriidset sp 3 orbitaali, mis on suunatud
ruumis tetraeedri tsentrist tippude suunas. Samasugune on olukord räni korral.
Kovalentne side võib olla väga tugev (teemant, sidemeenergia 7,4 eV), aga ka suhteliselt nõrk (Sb).
Puhas kovalentne side esineb ainult sama aine aatomite vahel (teemant, räni), muudel juhtudel on ta
alati osaliselt iooniline (+ ja – laengu keskmed ei lange kokku). Sellist sidet nimetatakse ka
polaarseks kovalentseks. Seal on ühise elektronpaari elektronpilv nihkunud elektronegatiivsema
elemendi aatomituuma poole. Sellist süsteemi nimetatakse dipooliks (joon 1-9). Sideme polaarsust
iseloomustab dipoolmoment μ = qּl, kus q on laengu suurus ja l laengute keskmete vaheline kaugus.
Ka puhast ioonilist sidet ei ole olemas, alati on ta osaliselt kovalentne (esineb elektronpilvede
kattumine). Mida rohkem erineb aatomite elektronegatiivsus, seda suurem on nendevahelises
sidemes ioonilise sideme osakaal ja vastupidi.
Metalliline side
Esineb metallides ja nende sulamites. Metallis aatomite valentselektronid ei ole seotud ühegi
konkreetse aatomiga, vaid saavad rohkem või vähem vabalt metallis liikuda, moodustades nn
elektrongaasi. Metalli ioonid moodustavad kristallvõre, mille summaarne + laeng võrdub
elektrogaasi summaarse - laenguga. Seega elektrongaas moodustab nagu „liimi“, mis hoiab ioone
koos (joon 1-10). Selle tulemusena metalliline side ei oma suunda ja lähimate naaberosakeste arv on
määratud geomeetriliste faktoritega.
4

Sideme energia võib olla väga erinev ja seetõttu ka metallide sulamistemperatuurid väga erinevad
(vt tabel 1-11)
1.5.2 Sekundaarsed sidemed
Sekundaarseid sidemeid nimetatakse väga mitut moodi, näit füüsikalised sidemed, van der Waalsi
sidemed, molekulidevahelised sidemed jne. Nende sidemete tekkepõhjus on polaarsete molekulide
dipoolide (ka indutseeritud dipoolide) erimärgiliste otste kuloniline vastasmõju. Kui polaarses
molekulis elektropositiivsemaks aatomiks on vesinik, siis nimetatakse sidet vesiniksidemeks.
Sekundaarsed sidemed on 10 – 100 korda nõrgemad keemilistest sidemetest (vt tabel 1-11).
1.5.3 Molekul tahkes aines
Lähtudes molekuli definitsioonist (keemilise sidemega seotud aatomite grupp) tuleb tahke aine,
milles on peamine iooniline või metalliline side, kristalli käsitleda kui ühte suurt molekuli. Ainult
kovalentse sideme korral võivad esineda tõepoolest molekulid, millede vahel on nõrgad
sekundaarsed sidemed. Sellised väikeste molekulidega ained on toatemperatuuril gaasilises olekus
(H 2 , O 2 , N 2 ) või vedelas olekus (H 2 O, C 6 H 6 ). Suurte molekulidega on küll tahked, aga väga pehmed
ja madala sulamistemperatuuriga (parafiin, polümeerid).
2. KRISTALLIDE EHITUS
Vaatleme:
- kristallstruktuure;
- kristallograafilisi suundi ja tasapindu;
- polükristalseid ja monokristalseid aineid;
- kristallstruktuuri uurimise meetodeid.
2.1 Kristallide struktuur
2.1.1 Põhimõisted
- kristallid – tahked ained, kus osakesed paiknevad korrapäraselt väga suures osas (kaug-korrapära).
Kristalliseeruvad: kõik metallid, valdav osa keraamilisi materjale, suur osa orgaanilisi ühendeid ja
mõned polümeerid.
- kristallvõre – kujuteldav ruumiline võre, mille sõlmedes asuvad aine osakesed (aatomid, ioonid või
molekulid), mis on seotud lähimate naaberosakestega primaarsete või sekundaarsete sidemetega
(joon 2-1a).
- mittekristalsed (amorfsed) ained
- kristallstruktuur – kristallvõre ehitus, st kuidas osakesed paiknevad
- lihtsaimad kristallstruktuurid – neid moodustavad ühesugused osakesed. Sel juhul vaadeldakse
osakesi nagu ühesuguste mõõtmetega sfääre, mis puutuvad kokku lähimate naaberosakestega.
- elementaarrakk – väikseim kristallvõre osa, millel on kõik antud võre omadused ja mis kordub
perioodiliselt (joon 2-1b). Elementaarrakk omab 3 või 4 paari paralleelseid tahkusid ja tema
tippudes asuvad osakesed. Osakesed võivad asuda ka raku tahkudes ja sees.
5

- koordinatsiooni arv (KA) – lähimate naaberosakeste (sfääride) arv, mis puutuvad vahetult kokku
ühe osakesega.
- osakeste pakketihedus (PT) – elementaarrakus olevate osakeste ruumala osa elementaarraku
ruumalast.
- kristallvõre (elementaarraku) parameetrid: a, b, c, α, β ja γ (vt joon 2-1b).
Kui elementaarrakk on kuup, siis a = b = c = võrekonstant.
2.1.2 Krastallsüsteemid
Kõik kristallvõrede tüübid on jagatud seitsmesse süsteemi (joon 2-2).
Mõnedes süsteemides on mitu kristallvõre tüüpi.
2.1.3 Metallide kristallvõred
Metallidele on iseloomulik võimalikult suur koordinatsiooni arv ja suur pakketihedus. Miks?
Metallidel esineb peamiselt kolm kristallvõre tüüpi, milledest kaks kuulub kuubilisse süsteemi ja üks
heksagonaalsesse süsteemi (joon 2-3). Need on:
- ruumitsentreeritud kuubiline võre (RTK);
- tahktsentreeritud kuubiline võre (TTK);
- suurima pakketihedusega heksagonaalne võre.
1) RTK võre
RTK võre elementaarrakk on toodud joonisel 2-4:
- vasakul kokkupuutuvate sfääridena;
- paremal vähendatud sfääridena.
Siin on elementaarrakus lisaks tippudes olevatele osakestele veel üks osake kuubi tsentris.
KA = 8
Seos võrekonstandi a ja osakese raadiuse R vahel:
2 2 2 2 2 2
(4R) = d + a = a + a + a
2 2
16R = 3a
4R = a 3
a 3 4R
R = ; a =
(2.1)
4 3
Elementaarrakk sisaldab 2 sfääri (1 + 8 ּ 1/8)
4 3
2 ⋅ πR
PT =
3
3
a
3
8πa
3 3
=
3
3a ⋅ 64
π
=
3
8
= 0,68
See ei ole suurim pakketiedus.
6

RTK võret omavad Cr, Fe(α), Mo, Ta, W
2) TTK võre
Võre elementaarrakk on esitatud joonistel 2-3b ja 2-5.
Siin on lisaks tipuosakestele üks osake iga tahu tsentris.
KA = 12 (seda näeme hiljem).
Seos võrekonstandi a ja osakese raadiuse R vahel:
2 2 2
(4R) = a + a
2 2
16R = 2a ;
2 2
8R = a
a
a = 2 2R; R =
(2.2)
2 2
Elementaarrakus on 4 osakest (6ּ1/2 + 8ּ1/8 = 3 + 1).
4 3
4 ⋅ πR
3
3 16πa
π
PT = =
= = 0,74
3
3
a 3 ⋅16
2 ⋅a
3 2
See on suurim võimalik pakketihedus võrdse raadiusega sfääridele.
TTK võret omavad Cu, Al, Ag, Au jt.
3) SPH
Elementaarrakk on joonisel 2-6. See on heksagonaalse prisma kujuline ja teda iseloomustavad kaks
mõõdet – serva pikkus a ja kõrgus c. Suhe c/a = 1,63.
Osakesed on lisaks tippudele ka ülemise ja alumise tahu tsentris ning 3 osakest keskel.
Koordinatsiooni arv on 12.
Elementaarrakus on 6 osakest (tippudes 12ּ1/6 = 2; tahkude tsentrites 2ּ1/2 = 1 ja sees 3).
PA on suurim, nagu ka TTK võrel ehk 0,74.
SPH võret omavad Zn, Cd, Mg, Ti jt.
2.1.4 Materjali tihedus
Tihedust saab leida ka elementaarraku alusel:
elementaarrakus olevate osakeste
ρ =
elementaarraku ruumala
n ⋅ A
ρ =
(2.3)
N A ⋅ V el
mass
7

kus
n – osakeste arv elementaarrakus;
A – aatommass, g/mol;
N A – Avogadro arv (6,023ּ1023 aatomit/mol;
V el – elementaarraku ruumala.
2.1.5 Polümorfism
Mõned materjalid võivad sõltuvalt tingimustest omada mitut (tavaliselt kaht) erinevat kristallvõret.
Seda nähtust nimetatakse polümorfismiks ja materjale erineva kristallvõrega – polümorfseteks
teisenditeks. Lihtainete korral nimetatakse nähtust ka allotroopiaks.
Näited:
Süsiniku allotroopsed teisendid on grafiit ja teemant.
Raua teisendid on α-Fe (ferriit, RTK võre), γ-Fe (austeniit, PTK võre) ja δ-Fe (RTK).
Väävli teisendid on romboeedrilise ja monokliinse võrega väävel.
2.2 Kristallograafilised suunad ja tasapinnad
2.2.1 Osakeste koordinaadid kuubilise võre elementaarrakus
Kuubilise võre korral asetsevad koordinaatteljed x, y ja z üksteise suhtes 90 kraadise nurga all (joon
2-7).
Punktide koordinaatide määramiseks teljestikus kasutatakse pikkusühikuna võrekonstanti.
Joonisel 2-7 on esitatud ka RTK võre elementaarraku osakeste koordinaadid, tsentri osakesel on
need ½, ½, ½.
2.2.2 Kristallograafilised suunad
Suuna määramiseks kristallvõres kasutatakse kristallograafilisi suunaindekseid. Suunaindeksid
näitavad suuna vektori projektsioonide pikkusi telgedel, kusjuures pikkusühikuks on võrekonstant.
Suunaindeksite määramine toimub järgmiselt:
1) koordinaattelgede algpunk asetatakse suunavektori algpunkti;
2) määratakse suunavektori lõikepunkt elementaarraku, mille üks tipp asub telgede algpunktis,
tahuga. Seda punkti loetakse suunavektori lõpppunktiks;
3) määratakse vektori projektsioonide pikkused telgedel, näiteks ½, 1 ja 1/3. Need pikkused on
vektori lõpppunkti koordinaadid;
4) teisendatakse projektsioonide pikkused väikseimateks täisarvudeks. Antud näite korral tuleb neid
korrutada 6-ga, saame 3, 6 ja 2.
5) saadud numbrid ongi suunaindeksid. Nad asetatakse nurksulgudesse (ilma komadega eraldamata),
näites seega [362].
Kui suund on risti mõne teljega, siis vastav indeks on 0. Lihtsaimad suunad on seega [100] (risti y ja
z teljega ehk x telje suund), [010] (y telje suund) ja [001] (z telje suund). Nende vastassuunad on
vastavalt [ 100]
, [ 010
] ja [ 001]
. Lihtsamad suunad on veel [110] (risti z teljega) ja sellega
ekvivalentsed suunad ning [111] ja sellega ekvivalentsed suunad.
Ekvivalentsed suunad (erinevate indeksitega) on sellised, kus osakeste vahekaugused on võrdsed.
8

Näiteks on ekvivalentsed suunad [ ],
[ 111, ] [ 111, ] [ 111 ]
vastassuunad [ 11, ] [ 111, ] [ 111, ] [ 111 ]
111 (need on näidatud joonisel 2-8) ja nende
1 . Nagu näha, on vastassuuna kõik indeksid vastupidise
märgiga. Ekvivalentsete suundade perekonda tähistatakse . Analoogiliselt on perekond suundi
, jne.
Heksagonaalses süsteemis kasutatakse nelja telge (joon 2-9). Kolm asuvad samal tasapinnal nurga
120 O all, neljas telg on selle tasapinnaga risti. Suuna indekseid on ka vastavalt neli. Lihtsaim suund
on siin z telje suund [0001].
2.2.3 Kristallograafilised tasapinnad
Tasapindu tähistatakse pinna ehk nn Milleri indeksitega. Kuubilises võres on indekseid jällegi kolm,
mis pannakse tavalistesse sulgudesse (jällegi ilma vahekomadeta).
Vaatleme mingi tasapinna (toodud joonisel 2.10) Milleri indeksite määramist.
1) Määratakse lõikude pikkused, kus tasapind lõikub telgedega. Antud juhul on need 1/3, 2/3 ja 1.
2) Leitakse nende lõikude pikkuste pöördväärtused. Antud juhul 3, 3/2 ja 1.
3) Teisendatakse need väikseimateks täisarvudeks. Antud juhul tuleb kõiki korrutada 2-ga. Saame 6,
3 ja 2.
4) Saadud numbrid ongi Milleri indeksid. Seega antud tasapind on (632). Üldjuhul (hkl).
Kui tasapind on paralleelne mõne teljega, siis vastav pinna indeks on 0, kuna lõigu pikkus, mida
tasapind lõikab teljel, on ∞ ja selle pöördväärtus on 0.
Lihtsaimad tasapinnad kuubilises võres on (100), (110) ja (111). Need on esitatud joonisel 2-11.
Ekvivalentsed tasapinnad moodustavad jällegi tasapindade perekonna, mida tähistatakse {100},
{110} ja {111}.
2.2.4 Aatomite tasapinnaline ja lineaarne tihedus
ρ tp =
ekvivalentaatomite arv
pinna suurus
pinnal
Näiteks on TTK võre (100) pinnal (joonisel 2-5 esitahk) ekvivalentaatomita arv 2 (1 + 4·1/4).
2
1
ρ tp = ; a = 2 ⋅ 2 ⋅ R; ρ
2
tp =
2
a
4R
Mõõtühikuks on tavaliselt aatomit/nm 2 või aatomit/mm 2 .
ρ lin =
ekvivalentaatomite arv
joone pikkus
joonel
Näiteks TTK võre [011] suunas (joonisel 2-5 esitahu diagonaal) on ekvivalentaatomite arv 2 ja
9

ρ
2
lin = =
4R
1
2R
Mõõtühikuks on aatomit/nm või aatomit/mm kohta.
2.3 Osakeste pakketihedus erinevates võredes
1) Tavaline kuubiline võre
Osakeste pakkimise viis on toodud joon 2-12 ülal. Esimese kihi aatomid paiknevad ruudu tippudes
A, teise kihi aatomid täpselt nende peal jne, seega A A A . Pakketihedus ei ole eriti suur.
2) RTK võre (joon 2-12 all). Teise kihi aatomid paiknevad kohal B, seega esimese kihi tühimike
kohal. Kihid vahelduvad A B A B jne. Pakketihedus on suurem, kui tavalisel kuubilisel, kuid mitte
suurim.
3) TTK võre
Esimene kiht (joon 2-13) on pakitud tihedaimal moel. Kui teine kiht asub kohal B ja kolmas kiht
kohal C, st kihid vahelduvad A B C A B C jne, saamegi TTK võre (joon 2-14 ja 2-15). Pakketihedus
on suurim. Kihtide tasapind on (111).
4) SPH võre
Kui kihid vahelduvad A B A B jne, saame SPH võre (joon 2-16). Kohal C on kõigis kihtides
tühimikud. Kihtide tasapind on (0001).
2.4 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
(tavaliselt lisandid, kolloidosakesed jne) (joon 2-17). Üksikute terade pinnal muutub kristallvõre
orientatsioon. Kui kristallisatsioon algab vormi pinnalt, on orientatsioon veidi erinev (joon 2-18).
2) Monokristall on tahke keha, kus aatomite korrapärane paiknemine jätkub kogu keha ulatuses, st
on üksainus suur kristall. Looduslikud monokristallid (näiteks mäekristall) on tavaliselt korrapärase
hulktahuka kujulised.
Tehnilistel eesmärkidel kasvatatakse monokristalle kunstlikult. Monokristalli tõmbamise skeem
sulandist on joonisel 2-19. Nii saadakse näiteks suuri pooljuhtmaterjalide 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.
Anisotroopsed omadused on näiteks elastsusmoodul, peegeldustegur, elektrijuhtivus.
Polükristalne materjal on isotroopne, omadused on keskmised. Võimalik on valmistada
polükristalseid materjale, milles kristallid on orienteeritud kindlas suunas. Selline polükristalne
materjal võib olla anisotroopne.
3) Amorfsetes materjalides puudub osakeste paiknemise kaugem korrapära, esineb ainult lähikorrapära.
Sisuliselt on amorfsed ained allajahutatud vedelikud, nad ei ole jõudnud kristalliseeruda.
Joonisel 2-20 on esitatud kvartsi kristalli ja kvartsklaasi (amorfne) struktuur.
10

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.
2.5 Kristallide struktuuri määramine RDA meetodil
Difraktsioon – lainete kõrvalekaldumine sirgjoonelisest liikumisest põrkumisel osakesega või
möödumisel osakesest, mille mõõtmed on väiksemad kui pool lainepikkust. Difraktsiooni
tulemusena elektromagnetiline kiirgus hajub.
Hajunud kiirgus interfereerub – osadel kiirtel amplituud kasvab (võimandumine), osadel kahaneb
(nõrgenemine). Üksteist võimendavad samas või lähedases faasis olevad kiired, nõrgendavad
vastasfaasis olevad kiired.
Röntgenkiirte λ (väiksem kui 0,1 nm) on väiksem aatomite mõõtmetest, seega toimub
röntgenkiirguse langemisel kristallile nende difraktsioon.
Vaatleme monokromaatse (ühesuguse lainepikkusega) koherentse (samas faasis) röntgenkiirguse
hajumist kristalli pinnal (joon 2-21).
Kiirte 1 ja 2 teepikkused erinevad lõikude MP ja PN summa võrra.
Kui MP + PN = nλ, kus n on täisarv,
siis toimub kiirte võimendumine, ülejäänud kiirte korral nõrgenemine.
Asendame MP ja PN kristalli tasapindade vahelise kauguse d hkl l ja sinΘ kaudu:
nλ
= 2dhkl ⋅ sinΘ
Braggi võrrand
Nurka 2Θ nimetatakse difraktsiooninurgaks. Seega Θ on pool difraktsiooninurka.
See võrrand näitab, millise nurga Θ all langevad kiired võimenduvad (antud λ korral).
Braggi võrrandi abil saab leida kristalli tasapindade vahelisi kaugusi d hkl sõltuvalt võimendunud
joonte difraktsiooninurgast.
Kuubilise võre korral on tasapindade vaheline kaugus seotud tasapinna Milleri indeksitega:
a
dhkl
=
2 2 2
h + k + l
Vastavus Braggi võrrandile on vajalik, kuid mittepiisav tingimus kiirte võimendumisele. On terve
rida lisatingimusi, mis tulenevad nn mittefaasiliste kiirte esinemisest.
RTK võre:
TTK võre:
h + k + l peab olema paarisarv
h, k ja l peavad olema kõik paaris- või paaritud arvud
RDA läbiviimise skeem on joonisel 2-22 ja difraktogramm joonisel 2-23.
11

Joonte intensiivsus sõltub osakeste tihedusest tasapinnal. Kuubilises võres on näiteks suurima
tihedusega tasapind (111) (RTK võre korral see joon difraktogrammis puudub!). See võimaldab
siduda jooni konkreetsete pindadega.
RDA abil on võimalik määrata kristallvõre tüüpi (millised jooned esinevad) ja võrekonstanti
(Θ → d hkl → a).
3. DEFEKTID KRISTALLIDES
3.1 sissejuhatus
Ideaalsed kristallid on ilma defektideta.
Reaalsetes kristallides esineb alati rohkem või vähem kõrvalekaldeid ideaalsusest. Igat kõrvalekallet
nimetatakse kristallvõre defektiks.
Defektid on olulised seetõttu, et paljud kristallide omadused sõltuvad tugevalt defektidest. Sellisteks
struktuuritundlikeks omadusteks on elektrilised, optilised, aga ka mehaanilised omadused.
Defekte klassifitseeritakse mõõtmete alusel:
1) punktdefektid (1 – 2 aatomi suurused);
2) joondefektid (ühemõõtmelised);
3) pinddefektid (kahemõõtmelised);
4) ruumilised defektid (kolmemõõtmelised).
3.2 Punktdefektid
Jaotatakse omadefektideks ja lisanddefektideks.
3.2.1 Oma-punktdefektid
1) Vakantsid e tühjad võresõlmed (joon 3-1).
Tekivad kristallide kasvamisel ja temperatuuridel, kus aatomid on küllalt liikuvad. Nad on nn
tasakaalulised defektid, st temperatuuril T>0,6 T sul on nende kontsentratsioon määratud
temperatuuriga:
E
N N exp( V
V = ⋅ − )
(3.1)
kT
kus N - üldine osakeste kontsentratsioon (aatomit/cm 3 )
E V – vakantside tekkeenergia
k – Boltzmani konstant (1,38·10 -23 J/K·aatom = 8,62·10 -5 ev/K·aatom)
Valemit võib kirjutada ka nii:
EV
−
N
kT
V = N ⋅ e
Kui T ≈ T sul N/N V ≈ 10 4
Kui T→0, siis N V →0
Tegelikult, kui temperatuur alaneb alla 0,6 T sul , jääb defektide kontsentratsioon püsivaks, st defektid
nagu „külmutatakse kinni“, nende kontsentratsioon ei saa enam väheneda, kuna aatomid muutuvad
väheliikuvaks.
2) Võre sõlmede vahelised (lüh võrevahelised) aatomid (joon 3-1)
12

Kui aatom läheb võresõlmest sõlmede vahelisse tühimikku, siis tekibki võrevaheline aatom. Kuna
toimub võre deformatsioon, siis tekkeenergia on suurem, kui E V ja võrevaheliste aatomite
kontsentratsioon on tavaliselt väiksem.
3) Schottky defektid ja Frenkeli defektid
Keemiliste ühendite kristallides (näit AB) esievad omadefektid alati paarisdefektidena, seda nõuab
kristalli stöhhiomeetria (A ja B võresõlmede arv on võrdne):
A ja B vakantsid (V A ja V B ) - Schottky defektid;
A vakants ja võrevaheline A (V A ja A i ) - Frenkeli defektid (joon 3-2)
Omadefektid võivad omada ka laengut, nagu ioonid.
3.2.2 Lisanddefektid e lisandite aatomid
Absoluutselt puhtaid materjale ei ole olemas.
Tehniliselt puhtad materjalid sisaldavad kuni 1 % lisandeid.
Väga puhasteks loetakse materjale, kus on 1 lisandi aatom miljoni põhiaine aatomi kohta (10 -6 e
0,0001aatom%). Pooljuhtmaterjalid võivad olla veel mitu suurusjärku puhtamad, selleks on välja
töötatud erilised puhastusmeetodid. Aga ka materjalis, kus on 10 -9 lisandi aatomit 1 põhiaine aatomi
kohta, on ühes moolis lisandeid:
6,02·10 23 · 10 -9 ≈ 6·10 14 aatomit.
Tihti viiakse materjalisse sisse lisandeid spetsiaalselt (legeeritakse), st kasutatakse sulameid.
Lisandid võivad põhiaines moodustada:
1) tahke lahuse;
2) eraldi faasi (tekib faaside mehaaniline segu);
3) keemilise ühendi (moodustab samuti eraldi faasi).
Punktdefektidena esineb lisand tahkes lahuses.
Tahke lahus (nagu ka vedel) moodustab homogeense segu, kus lisandi aatomid on ühtlaselt jaotunud
põhiaines.
Tahkeid lahuseid on kaht tüüpi:
1) asendustüüpi – lisandi aatomid asendavad põhiaine aatomeid võresõlmedes (joon 3-3);
2) sisendustüüpi – lisandi aatomid lähevad võresõlmede vahele (joon 3-4)
Asendustüüpi tahke lahuse tekkimine on võimalik, kui:
- aatomite raadiused ei erine rohkem kui ±15%;
- ainete elektronegatiivsused on lähedased;
- ainete kristallvõred on sarnased.
Näiteks Cu ja Ni, mis lahustuvad piiramatult:
R, nm elektroneg kr str
Cu 0,128 1,9 TTK
Ni 0,125 1,8 TTK
Sisendustüüpi tahke lahus tekib, kui R lis

3.3 Joondefektid e dislokatsioonid
Joondefekte nimetatakse ka dislokatsioonideks, kuna nende lähedusse kogunevad (dislotseeruvad)
lisandite aatomid.
Dislokatsioonid on sellised jooned kristallvõres, mille ümber on osa aatomeid paigutunud
ebaregulaarselt.
Dislokatsioonid tekivad:
- kristallide kasvamisel;
- plastilisel deformeerimisel;
- vakantside kogunemisel;
- tahkete lahuste tekkimisel.
On olemas kaht tüüpi dislokatsioone:
1) ääre(serv)dislokatsioon – lisapoolaatomkihi lõppemise äär (serv) (joon 3-5);
2) vintdislokatsioon – ülemine aatomtasapind on nihutatud alumise aatomtasapinna suhtes aatomite
vahelise vahemaa võrra (joon 3-7).
Dislokatsioonide teke vakantside kogunemisel on esitatud joonisel 3-6.
Tavaliselt on dislokatsioonid kombineeritud, st lähevad üksteiseks üle (joon 3-8).
Dislokatsioonide uurimiseks kasutatakse optilist ja elektronmikroskoopiat. Enne optilise
mikroskoobiga vaatamist tehakse dislokatsioonide väljumiskohad kristalli pinnal nähtavaks
söövitamisega keemiliste reagentide abil. Kuna dislokatsioonid omavad lisaenergiat (vabad
sidemed), siis toimub seal kristalli lahustumine kiiremini ja tekivad söövitussüvendid (joon 3-9).
Süvendite kuju järgi saab määrata välispinna tasapinna tüüpi.
Dislokatsioonid ei ole tasakaalulised defektid. Põhimõtteliselt saab valmistada dislokatsioonivabu
kristalle.
3.4 Pinddefektid
Pinddefektideks on välispinnad ja kristalliitide (terade) vahelised pinnad polükristalses materjalis.
Terade vahelised pinnad võivad olla suurenurgalised ja väikesenurgalised (joon 3-10). Seal muutub
kristallide orientatsioon. Väikese nihkenurga korral koosneb piirpind sisuliselt
ääredislokatsioonidest (joon 3-11).
3.5 Mikroskoopia
Kristalliitide mikrostruktuuri, so terade kuju ja mõõtmeid saab uurida mikroskoopiliselt.
Mõnede materjalide kristalliidid on nähtavad palja silmaga (Sn).
Kiirte käik optilises mikroskoobis läbipaistmatu objekti korral (kasutatakse peegeldunud valgust) on
esitatud joonisel 3-12. Optilise mikroskoobi max suurendus on 2000 x.
Enne uurimist objekt lihvitakse ja poleeritakse mehaaniliselt ning söövitatakse keemiliselt.
Söövitajad koosnevad kolmest komponendist:
- oksüdeerija; - lahustaja; - aeglustaja.
Näit: HNO 3 + HF + CH 3 COOH
14

Söövitamisel tekib pinnale reljeef, mis võimaldab eristada üksikuid terasid. Terade vahelised piirid
on tumedad (joon 3-13) ja erinevalt orienteeritud terad on erineva heledusega (joon 3-14).
Elektronmikroskoobis kasutatakse valguskiirte asemel elektronkiirt, mis koosneb suure kiiruseni
kiirendatud elektronidest, mida võib käsitleda kui laineid, mille λ = 1/v.
Transmissioonmikroskoobis kasutatakse läbivaid kiiri (joon 3-15). Max suurendus kuni 1000000 x.
Skaneerivas elektronmikroskoobis (SEM) skaneeritakse peenikese elektronkiirega objekti pinda ja
kujutis saadakse objektilt peegeldunud sekundaarsete elektronide abil. Resolutsioon (lahutusvõime)
on umbes 5 nm ja suurendus võimalik väga laias piirkonnas (15 – 100000 x).
4 DIFUSIOON TAHKETES MATERJALIDES
Difusioon on üks aine ülekande vorme.
Difusioon – see on aine osakeste (aatomite, ioonide või molekulide) ülekandumine kontsentratsiooni
erinevuse tõttu. Difusioon saab toimuda temperatuuril, kus osakeste liikuvus on küllalt suur
(vibratsioonienergia on küllalt suur).
Difusiooni näide on esitatud joonisel 4-1 (Cu ja Ni vastastikune difusioon). Sellist difusiooni võib
vaadelda kui lisandi difusiooni. Võib toimuda ka materjali enda osakeste difusioon – osakesed
vahetavad kohti. See on omadifusioon.
4.1 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 (vajalikku lisaenergiat) nimetatakse
difusiooni aktiveerimise energiaks. Aatomid, mis omavad seda lisaenergiat, on difusiooni mõttes
aktiivsed. Nende kontsentratsioon sõltub temperatuurist Boltzmani võrrandi järgi:
E *
n = N ⋅ C ⋅ exp( − )
(4.1)
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. Seejuures
kasvab n temperatuuri tõusul eksponentsiaalselt. E* on vajalik sidemete lõhkumiseks ja võre
deformeerimiseks liikumisel.
Aatomi liikumiseks kristallvõres peab olema täidetud kaks tingimust:
1) kõrval peab olema tühi koht (vakants või võrevaheline tühik), 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 (joon 4-2). E* on seda suurem, mida kõrgem on metalli sulamistemperatuur.
15

Selle mehhanismi järgi võib toimuda ka lisandi difusioon, kui A on lisandi aatom.
Vakantsmehhanism on põhiline omadifusioonis ja difusioonis tahketes lahustes.
4.1.2 Võrevaheline mehhanism
Aatom liigub ühest võrevahelisest asendist teise (joon 4-3 all). Selle mehhanismi alusel toimub
peamiselt väikeste mõõtmetega aatomite (H, C, O, N) difusioon asendustüüpi tahketes lahustes.
Difusioon toimub kiiremini kui vakantsmehhanismi alusel, kuna võrevahelisi tühemikke on
tunduvalt rohkem kui vakantse.
Metallide omadifusioonis võrevaheline mehhanism on vähetähtis, küll aga on märgatav
keraamilistes materjalides, mille kristallid ei oma suurimat pakketihedust.
4.2 Statsionaarne difusioon
Üldiselt sõltub difusiooniprotsess ajast. Statsionaarne difusioon on ajas püsiv difusiooniprotsess.
Difusioonivoog J – ainehulk (mass või moolide arv), mis difundeerub ajaühikus läbi ühikulise pinna:
m
1 dm
J = ; või J = (4.2)
S⋅
t
S dt
kus m- ainehulk;
S – pindala:
t – aeg.
Kui J ei muutu ajas, ongi tegemist statsionaarse difusiooniga.
Statsionaarset difusiooni illustreerib joonis 4-4: toimub mingi gaasi difusioon läbi vaheseina
pindalaga S, kusjuures gaasi rõhku mõlemal pool vaheseina hoitakse konstantsena.
Kontsentratsiooni sõltuvust koordinaadist x nimetatakse kontsentratsiooni profiiliks (joon 4-4b).
Selle sõltuvuse kalle mingis punktis dC/dx on kontsentratsiooni gradient.
Statsionaarse difusiooni korral on kontsentratsiooni profiil lineaarne ja gradient konstantne:
dC
dx
=
ΔC
CA − C
= B = const
Δx
xA
− xB
Statsionaarse difusiooni korral on difusioonivoog võrdeline kontsentratsiooni gradiendiga:
dC
J = −D
Fick’i I seadus
dx
kus J – difusioonivoog suunas x;
D – võrdetegur e difusioonitegur.
Miinusmärk on seetõttu, et difusioon toimub kontsentratsiooni vähenemise suunas.
Avaldame võrrandist 4.2 dm:
dm = J·S·dt
ja asendame J Fick’i I seadusest:
16

dC
dm = −D
⋅S⋅
⋅dt
dx
Kui D = const; S = const ja dC/dx = const, saame integreerimisel:
dC
m = −D
⋅S⋅
⋅ t (4.3)
dx
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 m 2 /s.
4.3 Mittestatsionaarne difusioon
Mittestatsionaarse difusiooni korral muutub difundeeruva aine kontsentratsioon igas punktis ajas.
Protsessi kirjeldab Fick’i II seadus:
∂C
∂ ∂C
= (D )
∂t
∂x
∂x
Kui D ei sõltu kontsentratsioonist C, siis:
2
∂C
∂ C
= D
(4.4)
∂t
2
∂x
Kui difundeeruva aine kontsentratsiooni pinnal hoitakse konstantsena (C S = const), siis on võrrandi
4.4 lahend järgmine:
CS − Cx
x
= erf ( ) (4.5)
CS
− C0
2 Dt
kus C 0 – kontsentratsioon materjalis enne difusiooni;
C S – pinnakontsentratsioon;
C x – kontsentratsioon kaugusel x ajahetkel t;
erf – Gaussi veafunktsioon (error function).
x
Erf funktsiooni väärtused sõltuvana argumendist
2 Dt
Võrrand 4.5 kehtib juhul, kui paksus > 100 Dt.
on toodud matemaatilistes tabelites.
Võrrandi 4.5 parameetrid on näidatud joonisel 4-5.
Võrrandi 4.5 alusel saab leida C x sõltuvana x-st ja t-st, kui C 0 , C S ja D on teada.
Kui on vaja leida lisandi kontsentratsioon kindlal sügavusel x = l, siis:
CS − Cl
x
= const; = const;
CS
− C0
2 Dt
17

x 2 = const ja Dt const
Dt
= (kuna x = l = const)
4.4 Difusiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist
Difusiooni kiirus sõltub:
1) difusiooni mehhanismist;
2) difundeeruvate osakeste mõõtmetest;
3) kristallstruktuurist;
4) temperatuurist.
Difusiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist väljendub D temperatuursõltuvuse kaudu:
2
E m
D = D exp( d
0 ⋅ − ),
(4.6)
RT s
kus D 0 – konstant;
E d – difusiooni aktiveerimise energia (mooli kohta).
Logaritmime võrrandi 4.6:
E
ln D = ln D d
0 − RT
(4.7)
Sõltuvuse 4.7 graafik on teljestikus ln D – 1/T sirge (joon 4-6).
Sirge tõusu tg α järgi saab leida aktiveerimisenergia:
Δ(ln D) E
tgα
= = d ; E = R ⋅ tgα
1
d
Δ(
)
R
T
Graafikult saab leida ka konstandi D 0 .
Väljendame võrrandi 4.7 abil D kahel temperatuuril:
E
ln D
d
T = ln D0
−
2
RT2
E
ln D
d
T = ln D
1 0 −
RT1
Lahutame esimesest võrrandist teise:
Ed
1 1
ln DT
− ln DT
= − ( − )
2 1
R T2
T1
(4.8)
DT
2 Ed
(T2
− T1
)
ln =
DT
R ⋅T1
⋅T
1
2
Joonisel 4-7 on esitatud mõnede elementide difusiooniteguri sõltuvused temperatuurist.
Lisandite difusiooni kasutatakse:
- metallide pinna töötlemiseks (raua pinna karboniseerimine);
- pooljuhtmaterjalide legeerimiseks jne.
18

5. MATERJALIDE MEHHAANILISED OMADUSED
5.1 Materjalide tugevus ja selle määramine
Materjalide mehaanilised omadused väljendavad materjali käitumist mingi mehaanilise jõu toimel.
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. Seda,
kuidas nimetatud jõud deformeerivad objekti, on näidatud 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. Kuna selle sõltuvuse kuju oleneb katsekeha ristlõike pindalast, siis sõltuvus normeeritakse
(jagatakse jõud ristlõike pindalaga ja Δl algpikkusega). Saadakse sõltuvus koordinaatides pinge –
deformatsioon (suhteline pikenemine).
F
Δl
Mehaaniline pinge avaldub: σ = [Pa] ja deformatsioon avaldub δ = (ühikuta).
A 0
l 0
Metalli survetugevuse määramisel loetakse jõud negatiivseks, kuna ka deformatsioon on negatiivne.
F
Nihkedeformatsiooni määramisel (joon 5-2c) leitakse nihkepinge τ = , kus jõud on rakendatud
A 0
vastassuunaliselt kahele paralleelsele pinnale suurusega A 0 . Nihkedeformatsioon avaldub γ = tg Θ ,
kus Θ on nihkenurk.
Väändedeformatsiooni uurimisel rakendatakse tangensiaalsete jõudude paari T (joon 5-2d).
Väändepinge τ on võrdeline jõuga T, väändedeformatsioon avaldub aga γ = tg Φ , kus Φ on
väändenurk.
5.2 Elastne ja plastiline deformatsioon
Metallide deformatsiooni aste sõltub rakendatud pingest. Mitte väga suurte pingete korral on
suurema osa metallide deformatsioon võrdeline pingega
σ = E δ
(5.1) Hooke’i seadus
kus E – elastsusmoodul
Sellist deformatsiooni, kus δ on võrdeline σ-ga, nimetatakse elastseks deformatsiooniks. Vastav
graafik on sirge (joon 5-3a). Elastne deformatsioon on pöörduv – pinge kõrvaldamisel taastuvad
endised mõõtmed. Mõnede metallide korral on ka elastses piirkonnas sõltuvus veidi mittelineaarne.
Sellisel juhul iseloomustatakse materjali kahe elastsusmooduliga E 1 ja E 2 (joon 5-3b)
Elastsusmoodul sõltub temperatuurist – temperatuuri tõusul E väheneb.
Elastsusmoodul on seotud osakestevaheliste sidemete tugevusega materjalis. Mida tugevam on side,
seda suurem on E (seda vähem deformeerub). Keraamilistel materjalidel on võrreldes metallidega
suurem E, polümeeridel aga väiksem.
Elastsetel materjalidel on ka nihkepinge τ ja nihkedeformatsiooni vahel γ vahel võrdeline seos
19

τ = G γ , kus G – nihkemoodul (G ≈ 0,4 E).
Suuremal osal metallidel esineb elastne deformatsioon kuni väärtuseni 0,005 (0,5%). Vastavat
pinget nimetatakse elastsuspiiriks – punkt P joonisel 5-4. Seda punkti on katseliselt raske määrata.
Kui deformeerida materjali üle selle piiri, siis ei ole δ enam võrdeline σ-ga ja tekib plastiline
deformatsioon (voolamine). Plastilise deformatsiooni käigus katkevad osakestevahelised sidemed,
toimub aatomite libisemine üksteise suhtes ja seejärel uute sidemete tekkimine.
Pinge eemaldamisel säilib nn jääkdeformatsioon. Jääkdeformatsioonile 0.002 vastavat pinget σ y
nimetatakse voolamistugevuseks (piiriks).
Täielik δ – σ sõltuvus on esitatud joonisel 5-5. Pärast voolamise tekkimist kasvab pinge kuni
maksimumpunktini M, millele vastavat pinget TS nimetatakse tõmbetugevuseks. Seejärel tekib
katsekehale „kael“, pinge hakkab vähenema kuni katkemiseni (p F). Metallide tõmbetugevused ja
plastilise voolamise piirkonnad on küllalt erinevad (joon 5-6). Materjale, millel on väike plastilise
voolamise piirkond, nimetatakse rabedateks.
Venitatavus on materjali suhteline pikenemine enne katkemist:
l l
Ve f −
= 0 ⋅100
[%], kus l f – pikkus katkemisel.
l0
Suuremal osal metallidest on Ve vahemikus 30 – 45 %.
Venitatavus ja rabedus sõltuvad temperatuurist. Temperatuuri tõusul Ve suureneb ja rabedus
väheneb.
5.3 Materjalide kõvadus
Materjali kõvadus on materjali võime avaldada vastupanu pinna deformatsioonile.
Kõige varasemad tugevuse skaalad saadi materjalide võrdlemisel selle järgi, kas materjal kriimustas
teist või mitte (kõvem kriimustab pehmemat, vastupidi mitte). Nii saadi näit Mohs’i skaala, mis
omab väärtusi 1 – 10. Kõige pehmem oli talk (1), kõige tugevam teemant (10).
Hiljem võeti kasutusele kvantitatiivsed kõvaduse määramise meetodid, mille käigus surutakse kindla
kujuga keha uuritava materjali pinna sisse ja uuritakse tekkinud süvendi mõõtmeid. Kasutusel on
mitu skaalat.
Vaatleme lähemalt Brinelli kõvaduse määramist. Materjali pinna sisse surutakse terasest või W-
karbiidist sfäär diameetriga D, rakendades erineva kõvadusega materjalide korral erinevat jõudu.
Mõõdetakse tekkiva süvendi läbimõõtu d (joon 5-7). Brinelli kõvadus HB arvutatakse valemist:
2F
HB =
π D(D −
2 2
D − d )
Saadakse skaala 5 – 10000.
Mohs’i ja Brinelli skaalade, aga ka Rockwelli B ning C skaalade võrdlus on esitatud joonisel 5-8.
Toodud on ka mõnede materjalide asukohad skaaladel.
Kuna kõvadus ja tõmbetugevus iseloomustavad mõlemad vastupanu plastilisele deformatsioonile,
siis peab nende vahel olema seos. Ligikaudne seos on: TS (MPa) = 3,45 HB.
Kuna kõvaduse mõõtmine on lihtsam ja ei purusta materjali, kasutatakse seda sagedamini.
20

5.4 Plastiline deformatsioon ja libisemispinnad
Teoreetiliselt peaks täiuslike kristalsete ainete mehaaniline tugevus olema tunduvalt suurem kui
katseliselt saadud. Selle üheks põhjuseks on dislokatsioonide esinemine kristallides. Nimelt toimub
metallide plastiline deformatsioon just dislokatsioonide liikumise kaudu. Illustratsioon
ääredislokatsiooni liikumise kohta jõu toimel on joonistel 5-9 ja 5-10. Dislokatsiooni liikumine läbi
kristalli on analoogiline kapsaussi liikumisele. Makroskoopiliselt näeb see välja nii, nagu näidatud
joonisel 5-11. Deformatsioon saab toimuda ka vintdislokatsiooni liikumisel (joon 5-12). Metalli
tugevus seejuures ei vähene, kuna katkevate sidemete asemel tekivad uued.
Sellist plastilist deformatsiooni nimetatakse libisemiseks. Pinda, mida mööda dislokatsioon liigub,
nimetatakse libisemispinnaks. Dislokatsioonid ei liigu kõigil kristallograafilistel pindadel ühesuguse
kergusega. Iga kristallstruktuuri korral on eelistatud pinnad, mis ongi libisemispindadeks. Neil
pindadel on omakorda eelistatud suunad, mida nimetatakse libisemissuundadeks.
Libisemispinnad ja libisemissuunad on need, kus osakeste paiknemise tihedus on suurim e kus
osakesed puutuvad üksteisega vahetult kokku. Sellisel juhul osakese liikumine jõu toimel lükkab
naaberosakese võresõlmest välja. TTK võre korral on libisemispindadeks {111} pinnad ja neil
omakorda libisemissuundadeks suunad (joon 5-13).
Millised on libisemispinnad ja libisemissuunad RTK ja SPH võre korral?
5.5 Metallide tugevdamise meetodid
Metalli plastiline deformatsioon on seotud väga suure hulga dislokatsioonide samaaegse liikumisega.
Seega mida kergemini dislokatsioonid metallis liiguvad, seda kergemini metall plastiliselt
deformeerub. Metalli tugevusomadused (elastsuspiir, voolamispiir, tõmbetugevus, kõvadus)
sõltuvad aga sellest, kui kergesti 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 (libisemine), kuna:
- katkeb osakeste vahetu kontakt;
- muutub kristalli orientatsioon ja seega libisemispind (joon 5-14).
Seetõttu on väikeste kristalliitidega (teradega) metallid tunduvalt tugevamad, nende elastsuspiir on
suurem ja plastiline deformatsioon toimub raskemini. Voolamispiiri sõltuvus terade läbimõõdust
avaldub järgmiselt:
1 2
σ y = σ0
+ KvD
− ,
kus D – terade keskmine läbimõõt;
σ 0 ja K V – konstandid antud metalli korral.
Üheks lihtsaks võimaluseks terade mõõtmete vähendamiseks on kiire jahutamine (karastamine).
Karastamisel muutuvad metallid elastseks, kuid jäigaks (rabedaks).
2) Tahkete lahuste kasutamine.
Selleks legeeritakse metalli lisanditega, mis lähevad põhiaine kristallvõresse (tekitavad tahke lahuse).
Need lisandi aatomid tekitavad võres pingeid – tõmbe- või survepingeid, olenevalt nende
mõõtmetest. Joonisel 5-16a on näidatud, kuidas väiksem lisandi aatom tekitab tõmbepingeid ja
takistab seega aatomite nihkumist.
21

Lisapinged kompenseeruvad kõige paremini dislokatsioonidel, seega kogunevad lisandid peamiselt
dislokatsioonidel ja dislokatsioonid on nagu seotud lisandite aatomitega. See takistab
dislokatsioonide liikumist ja suurendab metalli tugevust (joon 5-16b).
3) Külmtöötlemine.
Plastilised materjalid tugevnevad külmtöötlemise käigus, kus neid deformeeritakse plastiliselt
madalal temperatuuril. Sellisteks külmtöötlemise liikideks on külmalt stantsimine, valtsimine,
traadiks tõmbamine jne (vaatleme hiljem). Tugevnemise põhjuseks on, et:
- tekib palju dislokatsioone, nende vahekaugus on väike ja nad takistavad üksteise liikumist;
- muutub kristalliitide kuju – nad litsutakse laiaks (liistakud) või venitatakse välja (kiud). See
muudab metalli elastsemaks ja jäigemaks.
5.6 Metallide rekristallisatsioon
Metalli saab rekristalliseerida (ümber kristalliseerida) kuumutamisega veidi allpool
sulamistemperatuuri (lõõmutamisega). Muutuvad kristalliitide kuju ja mõõtmed. Rekristallisatsiooni
ulatus sõltub temperatuurist ja ajast. Rekristalliseerimisel omandavad kristalliidid sfäärile lähedase
kuju ja muutuvad suuremaks.
Joonisel 5-15 on näidatud, kuidas muutuvad vase kristalliitide kuju ja mõõtmed lõõmutamisel
sõltuvalt temperatuurist ning kuidas muutub tõmbetugevus (MPa) ja venitatavus (suhteline
pikenemine, %)
22

6. FAASIDIAGRAMMID JA SULAMITE MIKROSTRUKTUUR
6.1 Faasidiagrammi mõiste
Faasidiagramm (olekudiagramm) näitab, millises olekus on süsteem (materjal) antud tingimustel
(temperatuur, rõhk, koostis).
Puhta aine faasidiagramm on kahemõõtmeline kujutis. Näiteks vee olekudiagramm (joon 6-1).
Jooned diagrammil eraldavad piirkondi, kus esinevad erinevad faasid (gaasiline, vedel, tahke).
Joontel esinevad tasakaalus kaks faasi. Kolme joone kokkupuutepunktis (kolmikpunktis) esinevad
koos kolm faasi. Iga punkt diagrammil (figuratiivne punkt) vastab kindlatele parameetrite
väärtustele, antud juhul rõhu ja temperatuuri väärtustele.
Tahkeid faase võib olla rohkem kui üks – polümorfism.
Veel on suurtel rõhkudel mitu kristallmodifikatsiooni.
Raual on sõltuvalt temperatuurist 3 modifikatsiooni: α, γ ja δ (joon 6-2).
Kui esinevad koos mitu faasi (joontel ja kolmikpunktides), siis on süsteem heterogeenne.
Faasi mõiste: heterogeense materjali homogeenne osa. Faasid on eraldatud pinnaga, millest
läbiminekul muutuvad materjali omadused hüppeliselt.
Kahekomponendilise (binaarse) süsteemi täielik faasidiagramm on kolmemõõtmeline (ruumiline)
kujutis koordinaatides rõhk – temperatuur – koostis. Selle lõige ühe parameetri konstantsusel on
kahemõõtmeline diagramm. Vaatleme binaarsete süsteemide faasidiagramme püsival rõhul, so
diagramme T – X (X – koostis).
Faasidiagrammi kuju sõltub sellest, millised faasid tekivad süsteemis tahkes olekus, vedelas olekus
on tavaliselt üks faas – homogeenne vedelik. Peamised on 4 varianti (joon 6-3): 1)komponentide A
ja B mehaaniline segu; 2)tahke lahuse (α) tekkimine; 3)kahe tahke lahuse (α ja β) tekkimine, mis
moodustavad mehaanilise segu; 4)keemilise ühendi (A x B y ) tekkimine.
6.2 Binaarsed isomorfsed sulamid
Isomorfne sulam on selline, kus tekib üks tahke lahus, näiteks Cu – Ni (joon 6-4)
Solidusjoon (tahke aine joon) – sulamistemperatuuri sõltuvus koostisest.
Likvidusjoon (vedelikujoon) – sulamisel tekkiva vedeliku koostis.
Diagrammilt saab leida antud tingimuste (figuratiivse punkti) jaoks:
1) millised faasid esinevad (näit sulam, mis sisaldab 53% Ni temperatuuril 1300 0 C on osaliselt vedel
(L) ja osaliselt tahke lahusena (α);
2) milline on nende faaside koostis (sama punkti korral sisaldab vedelik 45% Ni ja tahke lahus 58%
Ni);
3) milline on faaside suhteline hulk. Seda võimaldab nn kangi reegel:
m L 58 − 53 5
= =
mα
53 − 45 8
Joonisel 6-5 on näidatud, kuidas muutuvad tasakaalulise kristallisatsiooni korral vedela ja tahke
faasi koostised ning milline on saadud sulami mikrostruktuur. Tasakaaluline kristallisatsioon toimub
ainult lõpmata aeglase jahutamise korral, kui tekkiva tahke lahuse koostis jõuab ühtlustuda
(difusiooni teel). Reaalne kristallisatsioon on alati mittetasakaaluline (difusioon tahkes faasis on
23

aeglane) ja seetõttu on tekkivad kristalliidid nagu kihilise ehitusega: iga kiht on erineva koostisega.
Mittetasakaalulist kristallisatsiooni ja tekkivate kristalliitide kihilist ehitust selgitavad joonised 6-6
ja 6-7.
Kui jahutada Cu-Ni sulamit koostisega 30% Cu, siis algab kristallisatsioon temperatuuril T 1 ja
tekkivate kristallide koostis on α 1 . Kui sulam on jahtunud temperatuurini T 2 , siis tekkiva kristallikihi
koostis on α 2 , kogu kristalli summaarne koostis aga α 1 ja α 2 vahepealne, näiteks α 2 ’.
Kui sulam on jahtunud temperatuurini T 3 , siis tekkiva kihi koostis on α 3 ja kogu kristalli koostis α 3 ’
jne. Seega tegelikult kasvava kristalli summaarne koostis muutub mööda joont α 1 , α 2 ’ ... α 7 ’, iga kihi
koostis on aga erinev (joon 6-7). Kristallisatsiooni lõppemise temperatuur ei ole mitte T 5 , nagu
peaks olema tasakaalulise kristallisatsiooni korral, vaid T 7 .
Sellist nähtust nimetatakse segregatsiooniks. Segregatsiooni kõrvaldamiseks tuleb viia läbi sulami
lõõmutus veidi allpool sulamistemperatuuri.
Tahke lahuse omadused sõltuvad koostisest mittelineaarselt. Joonisel 6-8 on toodud Cu – Ni sulami
tõmbetugevuse ja venitatavuse sõltuvus sulami koostisest.
6.3 Binaarsed eutektilised sulamid
Eutektikum – sulam, mis sulab ja kristalliseerub ilma üldkoostise muutuseta:
jahut
L←⎯⎯⎯
⎯ ⎯⎯⎯→A
+ B
kuumut
jahut
L ←⎯⎯⎯
⎯ ⎯⎯⎯→α + β
kuumut
kus L – vedelik; A ja B – ainete A ja B kristallid; α ja β – tahkete lahuste kristallid.
6.3.1 Lihtsa eutektikumiga sulamid
Lihtsa eutektikumiga sulami korral koosneb tahke faas komponentide A ja B kristalliitide
mehaanilisest segust.
Vaatleme näitena sulami Bi – Cd faasidiagrammi (joon 6-9).
Jooned: AEB – likvidusjoon; CD – solidusjoon.
E – eutektiline punkt. Sellele punktile vastav koostis on eutektiline (eutektikum) ja vastav
temperatuur on ka eutektiline. Selles punktis esinevad koos kolm faasi: L, Bi ja Cd.
Joonisel on näidatud igas koostise ja temperatuuri piirkonnas esinevad faasid. Kolmes piirkonnas
esinevad tasakaalus kaks faasi, seejuures allpool solidusjoont kaks tahket faasi – Bi ja Cd kristallide
mehaaniline segu. Joonisel on näidatud ka sulami, mille koostis on 60% Cd + 40% Bi, jahutamisel
toimuv faaside koostise ja struktuuri muutus. Kahefaasilistes piirkondades saab kasutada kangi
reeglit faaside suhtelise hulga (massi) määramiseks. Näit kui sulami olekut kirjeldab punkt G, siis
esinevad tasakaalus vedelik koostisega F ja tahke faas koostisega H (so Cd). Nende hulgad:
m L GH
=
mCd
FG
Selliste sulamite omadused sõltuvad koostisest lineaarselt.
6.3.2 Tahkete lahustega sulamid
Vaatleme konkreetset sulamit Pb – Sn. Siin tekivad kaks tahket lahust, üks sisaldab põhiliselt Pb-it
(α) ja teine põhiliselt Sn-it (β) (joon 6-10). Kui esinevad mõlemad tahked lahused, siis tekib nende
24

kristalliitide mehaaniline segu (α + β). Ainult tahked faasid esinevad allpool solidusjoont.
Likvidusjoone ja solidusjoone vahel on kaks piirkonda, kus esinevad koos vedelik L ja üks tahke
lahus. Ka siin esineb eutektiline punkt E, millele vastab eutektiline koostis (61,9% Sn) ja eutektiline
temperatuur (183 o C).
Joonisel 6-10 on näidatud ka, kuidas muutub sulami C 4 jahtumise käigus vedeliku ja tahkete faaside
koostis ning sulami mikrostruktuur. Eutektilisel temperatuuril saavutab vedelik eutektilise koostise
(61,9% Sn), kristallid α aga koostise 18,3% Sn. Sel temperatuuril toimub eutektiline reaktsioon
L → α + β ja tekib kristallide eutektiline struktuur. Kristallide edasisel jahtumisel muutub nii α kui
ka β koostis mööda lahustuvuse jooni.
Joonisel 6-11 on näidatud sulami C 2 jahtumine. Siin tekivad jahtumisel algul ainult α kristallid.
Edasisel jahtumisel allpool lahustumisjoont sadenevad α kristallide sees välja väikesed β kristallid.
Kahefaasilistes piirkondades on rakendatav kangi reegel. Näit piirkonnas, kus esinevad α ja L:
mα
BD
=
mL
AB
Tahkeid lahuseid võib tekkida sulamis ka rohkem kui 2. Näiteks sulamis Cu – Zn tekib 6 tahket
lahust (joon 6-12). Sellel diagrammil esinevad peritektilised punktid, millele vastavad peritektilised
koostised ja peritektilised temperatuurid, kus toimuvad peritektilised reaktsioonid (joon 6-15). Cu –
Zn diagrammil esinevad 5 peritektilist punkti (leia need!).
6.4 Keemilise ühendi tekkimine sulamis
Tahkes olekus võib metallide vahel tekkida keemiline ühend (intermetalne ühend). Seejuures võib
see keemiline ühend ja komponendid seguneda erinevalt.
6.4.1 Keemiline ühend ja komponendid moodustavad mehaanilise segu
Vastav faasidiagramm on esitatud joonisel 6-13. Diagrammi võib käsitleda koosnevana kahest osast,
mis mõlemad on lihtsa eutektikumiga sulami diagrammid: ühe diagrammi komponentideks on aine
A ja ühend AB, teise diagrammi komponentideks ühend AB ja aine B.
Diagrammil on kaks eutektikumi E 1 ja E 2 . Jahtumisel toimuvad eutektilistel temperatuuridel T E1 ja
T E2 eutektilised reaktsioonid:
T E1 :
T E2 :
L → A + AB
L → AB + B
6.4.2 Keemiline ühend moodustab komponentidega tahked lahused
Vastav diagramm on esitatud joonisel 6-14 sulamile Mg – Pb. Keemilise ühendi valem on Mg 2 Pb ja
ta sisaldab 81% Pb. See ühend lahustub osaliselt Mg-s ja tekib tahke lahus α. Ühend lahustub ka
vähesel määral Pb-s, siis tekib tahke lahus β. Teistes piirkondades esinevad faasid on näidatud
diagrammil.
Diagrammil on jällegi kaks eutektikumi, kus toimuvad jahtumisel reaktsioonid
L → α + Mg 2 Pb
L → Mg 2 Pb + β
25

6.5 Invariantsed reaktsioonid
Invariantsed on reaktsioonid, mis toimuvad siis, kui esinevad koos kolm faasi. Oleme vaadelnud
kaht invariantset reaktsiooni – eutektilist ja peritektilist. Peale nende on veel eutektoidsed ja
peritektoidsed reaktsioonid. Kõik need reaktsioonid ja vastavad diagrammid on esitatud joonisel 6-
15. Reaktsioonid on esitatud jahtumise kohta, kuumutamisel toimuvad reaktsioonid vastupidises
suunas.
Eutektilise reaktsiooni korral muutub vedelik L eutektilise isotermi (horisontaalne joon) otstes
olevateks tahketeks faasideks. Eutektoidne reaktsioon erineb eutektilisest ainult selle poolest, et
vedeliku asemel on tahke lahus, mis muutub kaheks teiseks tahkeks lahuseks. Üks eutektoidne punkt
on diagrammil Cu – Zn (leia see!).
Peritektilise reaktsiooni korral muutuvad peritektilise isotermi otstes eksisteerivad vedelik ja tahke
lahus uueks tahkeks lahuseks. Peritektoidse reaktsiooni korral on vedeliku asemel teine tahke lahus,
nii et reageerivad kaks tahket lahust ja tekib kolmas tahke lahus.
6.6 Sulamite omaduste sõltuvus koostisest
Nagu oleme näinud, on sulamite omaduste sõltuvus koostisest erinevat tüüpi sulamite korral erinev.
Joonisel 6-21 on esitatud seosed sulamite faasidiagrammide ja omaduste sõltuvuse vahel koostisest
(nn koostis – omadus diagrammid).
Isomorfse sulami (üks piiramatu tahke lahus) korral on sõltuvus mittelineaarne. Mehaanilise segu
tekkimisel sõltuvad omadused koostisest lineaarselt. Kui lahustuvus tahkes olekus on piiratud, siis
ühe tahke lahuse esinemise piirkonnas sõltuvad omadused koostisest mittelineaarselt, tahkete lahuste
mehaanilise segu tekkimise piirkonnas on sõltuvus aga lineaarne.
6.7 Süsteem raud – süsinik (Fe – C)
Faasidiagramm süsteemile Fe – C puhtast rauast kuni süsiniku 6,7%-ni on esitatud joonisel 6-16.
Puhtal raual esineb allpool sulamistemperatuuri (1538 o C) kaks kristallstruktuuri muutust.
Madalal temperatuuril on stabiilne α-raud (ferriit), mis omab RTK võret. Temperatuuril 912 o C läheb
see üle γ-rauaks (austeniidiks), mis omab TTK võret. Temperatuuril 1394 o C muutub struktuur uuesti
RTK võreks (erineva võrekonstandiga) ja tekib δ-raud.
Diagramm on välja joonistatud kuni 6,7%-ni süsinikku, mis vastab keemilisele ühendile – Fe 3 C
(tsementiit). Süsiniku lahustumisel rauas läheb ta võrevahelistesse tühimikesse kõigi tahkete lahuste
korral. α ja δ-rauas (st RTK võres) on lahustuvus väga väike, kuna tühimikud on sellise kujuga, et C
aatomid ei mahu ära.
Austeniit on stabiilne ülalpool 727 o C, seal on C lahustuvus tunduvalt suurem (max 2,14%). Terase
termilisel 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
26

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 Fe 3 C vahelduvatest
kihtidest. Sellist struktuuri nimetatakse perliidiks (joon 6-17).
Kui sulamis on vähem süsinikku, kui 0,67% (hüpoeutektoidne sulam), tekib struktuur, kus on
ferriidi kihid ja vahel perliit (joon 6-18)
Kui sulamis on rohkem süsinikku, kui 0,67% (hüpereutektoidne sulam), tekib struktuur, kus on
tsementiidi kihid ja vahel perliit (joon 6-19)
Faaside (ferriit ja tsementiit) koostised on kõigil juhtudel ühesugused, mikrostruktuur on aga erinev
ja seetõttu ka erinevad omadused.
6.8 Faasiüleminekud ja struktuurimuutused terase termilisel töötlemisel
Nagu nägime, tekib sulamite jahutamisel, mis sisaldavad süsinikku 0,008 – 2,1%, austeniidist
kihiline struktuur, kus on vaheldumisi ferriidi (α-raua) ja tsementiidi (Fe 3 C) kihid. Sellist struktuuri
nimetati perliidiks. Tegelikult tekib perliit ainult austeniidi aeglasel jahutamisel. Perliit on keskmise
tugevuse, kõvaduse ja venitatavusega.
Austeniidi jahutamisel mõõduka kiirusega saadakse beiniit. Ta koosneb tsementiidi peentest nõeltest
ferriidis, kuna süsinik ei jõua kaugele difundeeruda ja moodustada paksemaid tsementiidi kihte.
Seetõttu on beiniit suurema tugevuse ja kõvadusega ning vähem plastiline.
Austeniidi väga kiirel jahutamisel (karastamisel) saadakse martensiit, mis on mittetasakaaluline faas.
C ei jõua üldse difundeeruda ja austeniidi struktuur nagu „külmutatakse kinni“. Martensiit on väga
tugev, kõva ja rabe.
Martensiidi painduvuse ja venitatavuse suurendamiseks teda tempereeritakse, st kuumutatakse
allpool eutektoidset temperatuuri. Kuumutamise käigus tekib ferriit, milles on üliväikesed
tsementiidi terakesed. Materjali nimetatakse tempereeritud martensiidiks. Tal on säilinud martensiidi
tugevus ja kõvadus, kuid paranenud on painduvus ja venitatavus (siiski väiksem, kui perliidil).
Perliidi või beiniidi kuumutamisel veidi allpool eutektoidset temperatuuri küllalt pika aja jooksul
(ööpäev) tekib sferoidiit, kus C tsementiidi osakesed omandavad kerakuju (sealt ka nimetus).
Sferoidiit on eriti pehme teras ja allub hästi plastilisele deformatsioonile.
Austeniidi erineval töötlemisel saadavad struktuurid on esitatud joonisel 6-20.
27

7. METALLID JA SULAMID
7.1 Raua sulamid
Raua sulamid on sellised, kus enamuskomponendiks on raud (nimetatakse ka mustad metallid).
Nende klassifitseerimine põhineb süsiniku ja teiste lisandite sisaldusel.
Kõigepealt jagunevad raua sulamid teraseks (alla 2,1% C) ja malmiks (2,1 – 4,5% C)
7.1.1 Terase liigid
Teraseid 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.
Teraste klassifikatsioon on esitatud joonisel 7-1.
1) Väikese C sisaldusega (kuni 0,25% C) terased.
Nad ei sobi termiliseks töötlemiseks martensiidi saamiseks, tugevdamine toimub külmtöötlemise
kaudu. Mikrostruktuur koosneb ferriidist ja perliidist. Suhteliselt pehmed, plastilised, kergesti
korrodeeruvad, odavad. Peale C sisaldavad tavaliselt ka kuni 1% Mn. Tugevdamiseks lisatakse
vahel Si, V, Mo (sajandikud kuni kümnendikud %).
Kõige enamkasutatavamad terased, kuna kõige odavamad. Tüüpilised kasutusalad: autokered,
profiilterased (torud, vardad, talad, nurkrauad), keevitatavad konstruktsioonid.
2) Keskmise C sisaldusega (0,25 – 0,6% C) terased
Neid saab termiliselt töödelda martensiidiks, kasutatakse peamiselt tempereeritud martensiidi kujul.
Seetõttu tugevamad, aga ikkagi hea plastilisusega. Tugevdamiseks ja korrosiooni vähendamiseks
lisatakse Cr, Ni, Mo. Valmistatakse näit raudteerelsse.
3) Suure C sisaldusega (0,6 – 1,4% C) terased
Kõige tugevamad, kõvemad ja ka veel küllalt plastilised. Kasutatakse samuti peamiselt
tempereeritud martensiidi kujul. Tööriistateras, mis on eriti tugev, sisaldab Cr, V, W ja Mo (1 –
10%). Cr, V ja W annavad eriti suure tugevuse, kuna tekivad vastavad karbiidid, mis on väga kõvad.
Valmistatakse: tööriistad, lõiketerad, noad, vedrud, traat.
4) Roostevaba teras
See on korrosioonikindel teras. Sisaldab Cr vähemalt 11%, vahel ka Ni ja Mo.
Roostevabad terased jaotatakse sõltuvalt mikrostruktuurist ferriitsed, martensiitsed ja austeniitsed.
Kaks esimest on ferromagneetikud.
Roostevabade teraste hulka kuuluvad ka eriti kuumakindlad terased, mis töötavad oksüdeerivates
tingimustes kuni 1000 kraadini ( o C). Kasutatakse gaasiturbiinides, lennukites, elektriahjudes,
tuumareaktorites.
7.1.2 Malmi liigid
Malm sisaldab üle 2,1% C, tavaliselt 3 – 4,5%. Malmi sulamistemperatuur on madalam kui terasel ja
seetõttu sobib detailide valuks. Malm on ka rabe, mistõttu ei sobi töötlemiseks plastilise
deformatsiooni abil.
28

Tsementiit Fe 3 C on ebastabiilne ühend ja võib laguneda mitmekordsel kuumutamise ja jahutamisel
ferriidiks ning grafiidiks:
Fe 3 C → 3Fe( α)
+ C(grafiit)
Grafiidi tekkimist saab reguleerida lisandite ja jahutamise kiirusega. Grafitiseerumist soodustab Si
sisaldus ja aeglane jahutamine. Enamik valumalme sisaldab süsinikku grafiidi kujul.
Tähtsamad malmi liigid on valge malm, hall malm, tempermalm ja ülitugev malm.
Erinevate malmi liikide saamise tehnoloogiad on esitatud joonisel 7-2.
Kõige enamkasutatavam ja odavam on hall malm, mis saadakse mitte väga kiirel jahutamisel. Grafiit
sadeneb seal välja lamellide (liistakute) kujul G f . Sisaldab räni 1 – 3%. Ta ei ole eriti tugev ja on
väga rabe. Survetugevus on parem kui tõmbetugevus. Head omadused – summutab vibratsiooni ja
hõõrdetugevus suur, valamistemperatuuril hea voolavus. Kasutatakse näiteks sisepõlemismootorite
plokkide, silindrite, kolbide jm valmistamiseks.
Kiirel jahutamisel saadakse valge malm, kuna C ei jõua välja sadeneda grafiidi kujul, vaid tekib
tsementiit Fe 3 C, küll peamiselt pinnal. Valge malm on väga kõva ja rabe. Kasutatakse näiteks
kuullaagrite ja kuulveskite kuulide valmistamiseks.
Kui valget malmi lõõmutada, sadeneb C välja helvestena G r ja malm muutub plastilisemaks. Sellist
malmi nimetatakse tempermalmiks. Sobib hästi sepistamiseks
Kui sulametalli lisada enne valamist veidi Mg ja/või Ce, sadeneb C välja kerajate moodustistena G n
(struktuurilt sarnane tempermalmile). Tekib ülitugev malm, mis on ka piisavalt plasiline.
Tõmbetugevuselt ja plastilisuselt lähedane terasele, kuid odavam. Kasutatakse näiteks mootorite
klappide, pumpade korpuste, hammasrataste jm valmistamiseks.
7.1.3 Muud raua sulamid
Peale terase ja malmi kasutatakse ka teisi sulameid, kus raud on enamuskomponent. Näiteks Fe ja Ni
sulamid (permalloidid) on magnetmaterjalid. Fe, Al ja Si sulamid (alsiferid) on suure takistusega,
kasutatakse küttelementide valmistamiseks.
7.2 Vask ja tema sulamid
Puhas vask on suure elektri- ja soojusjuhtivusega, kuid samal ajal väga pehme ja plastiline
(tõmbetugevus 220 MPa). Puhast vaske saab elektrolüüsi teel. Väga hästi külmalt töödeldav ja
korrosioonikindel. Puhtal kujul kasutamist takistabki pehmus. Termilise töötlemisega mehaanilisi
omadusi ei saa parandada. Seda saab teha külmtöötlemisega ja lisandite sisseviimisega (sulamid).
Sulamitest on tähtsaim valgevask ehk messing. Tavaline koostis on 70% Cu ja 30% Zn. Nagu
diagrammilt (joon 6-12) näha, esineb tahke lahus α, mis on TTK võrega. α-messing on mehaaniliselt
tunduvalt tugevam, kuid ikkagi üsna plastiline ja hästi külmalt deformeeritav.
Kui sulam sisaldab Zn üle 35%, tekib ka β’ faas, mis on RTK võrega ja mehaaniliselt veelgi
tugevam ja kõvem, kuid vähem plastiline. Mehaaniline töötlemine detailideks toimub kuumalt.
Sobib ka detailide valuks.
Tähtsuselt teised vase sulamid on pronksid. Pronksid on Cu sulamid peamiselt tinaga (Sn), aga ka
selliste elementidega nagu Al, Si, Ni, Be, P.
29

Pronksid on palju tugevamad ja elastsed, korrosioonikindlamad.
Eriti tugev on berülliumpronks (1,9% Be) – tõmbetugevus > 1100 MPa (terasest tugevam).
Seejuures väga suure elektrijuhtivusega, kulumiskindlusega ja külmalt töödeldavusega. Kasutatakse
näiteks elektrit juhtivate vedrude valmistamiseks.
Pronkside suur tugevus on tingitud lisandite pretsipitaatide (väljasadenenud kogumid) tekkest.
Tähtsad on veel Cu sulamid nikliga, näit konstantaan – suure takistusega. Kasutatakse reostaatide
valmistamiseks ja termopaarides (Cu – konstantaan termopaar).
7.3 Alumiinium ja tema sulamid
Al on väga väikese tihedusega (kerge) metall – ρ = 2,7 g/cm 3 (terasel 7,9). Ta on hea elektri- ja
soojusjuhtivusega (halvem kui Cu), suure soojusmahtuvusega väga pehme metall (tõmbetugevus 50
MPa). Ta on aktiivne metall, oksüdeerub intensiivselt õhu käes juba toatemperatuuril, kuid tekkiv
Al 2 O 3 on väga tihe ja kaitseb edasise oksüdeerumise eest. Oksiidikihi paksust saab suurendada
elektrolüüsi teel, kus Al on anoodiks ja oksüdeerub. Sellist Al nimetatakse anodeeritud
alumiiniumiks (veidi kollaka värvusega) ja teda kasutatakse küllalt palju ehitusmaterjalina. Kuna
väga plastiline, siis saab valmistada väga õhukest kilet – fooliumi. Omab TTK võret. Tema
kasutamist piirab suhteliselt madal sulamistemperatuur – 660 o C.
Al mehaanilist tugevust saab suurendada külmtöötlemisega ja sulamite kasutamisega. Sulamid
sisaldavad peamiselt Cu, aga ka Mg, Si, Mn, Zn, Cr.
Al sulamite tugevus saavutatakse pretsipitaatide tekitamisega. Pretsipitaadid on väikesed uue
väljasadeneva faasi alged tahkes lahuses.
Vaatleme faasidiagrammi Al – Cu (joon 7-3). Väikestal Cu kontsentratsioonidel tekib tahke lahus α,
suurematel kontsentratsioonidel α ja Θ mehaaniline segu (Θ – ühend CuAl 2 ). Sulamit, mis sisaldab
Cu umbes 4% kuumutatakse temperatuuril T 1 (tekib α) ja jahutatakse siis temperatuurini T 2 , kus
hoitakse teatud aeg. Tekkivad Θ-faasi osakesed annavad suure tugevuse, kuna ühendis on Cu ja Al
vaheline kaugus väiksem, kui Al vaheline kaugus metallis. See tekitab Θ-faasi osakestes
kokkutõmbejõu. Seejuures on oluline temperatuuril T 2 hoidmise aeg. Joonisel 7-4 on näidatud, et
suurim tugevus tekib kindla suurusega pretsipitaatide tekkimisel.
Cu lisamine Al-le 0,12% suurendab tema tõmbetugevust ligi 2 korda (90 MPa). Selliseid Al
sulameid kasutatakse väga laialdaselt toidunõudena, kemikaalide säilitusanumatena,
soojusvahetajatena, reflektoritena.
Eriti tugevad on kaks Al sulamit:
1) Al + 4,4% Cu + 1,5% Mg + 0,6% Mn – tõmbetugevus 470 MPa
2) Al + 1,6% Cu + 2,5% Mg + 5,6% Zn + 0,23% Cr – tõmbetugevus 570 MPa.
Neid sulameid kasutatakse lennuki- ja autotööstuses.
Väljatöötamisel on uued Al ja Li sulamid, mis on tugevad ja töötavad hästi ülimadalatel
temperatuuridel. Kasutusalad: kosmosetehnika, krüotehnika. Kallid, kuna nõuavad eritehnoloogiaid
Li suure keemilise aktiivsuse tõttu.
30

7.4 Teised metallid ja sulamid
7.4.1 Magneesium ja tema sulamid
Magneesium on veel kergem kui Al, tema tihedus on ainult 1,7 g/cm 3 . Mg on kõige kergem kõigist
konstruktsioonimaterjalidest. Mehaanilised omadused sarnased Al-ga, suhteliselt nõrk ja pehme.
Tugevuse suurendamiseks kasutatakse sulameid, peamiselt Al-ga (8 – 10%), millele on lisatud veidi
Mn, Zn ja haruldasi muldmetalle. Tugevamad sulamid omavad tõmbetugevust kuni 300 MPa, mis
on juba arvestatav, kuigi vähem, kui tugevmatel Al sulamitel. See-eest on nad tunduvalt kergemad.
Mg sulameid kasutatakse väga palju lennukitööstuses.
7.4.2 Titaan ja tema sulamid
Titaan on suhteliselt uus konstruktsioonimaterjal. Temas on ühendatud terve rida väga häid omadusi:
- väike tihedus (4,5 g/cm 3 );
- kõrge sulamistemperatuur (1668 o C);
- suur tugevus (tõmbetugevus ≈ 500 MPa), suurem kui tavalisel terasel;
- plastilisus, väga hea töödeldavus.
Ti sulamid (peamiselt Al, V ja Cr) on eriti tugevad, parimatel tõmbetugevus kuni 1400 MPa.
Puuduseks on asjaolu, et kõrgematel temperatuuridel 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.
Kasutatakse peamiselt lennukitööstuses, kosmoselaevades, nafta- ja keemiatööstuses.
Titaaniga üsna sarnane metall on tsirkoonium Zr.
7.4.3 Raskeltsulavad metallid
Sellesse rühma kuuluvad kõige kõrgema sulamistemperatuuriga metallid: volfram (W), molübdeen
(Mo), tantaal (Ta) ja nioobium (Nb). Sulamistemperatuurid: W – 3410 o C; Nb – 2468 o C, teistel
vahepeal.
Neile metallidele on iseloomulik väga tugev keemiline side, mistõttu ongi kõrge sulamistemperatuur,
suur tugevus ja kõvadus ning elastsusmoodul, ka väga kõrgetel temperatuuridel.
Kasutamine:
W – hõõglampides, röntgenkiire torudes, Hg-seadistes. Talle on iseloomulik nõrk side üksikute
kristalliitide vahel, seetõttu rabe;
Mo ja Ta– roostevabades terastes (kuna keemiliselt inertsed), metallide aurustamisel.
Kuna sulamistemperatuurid kõrged, valmistatakse detaile pulbermetallurgia meetoditega. Ta ja Nb
saab ka mehaaniliselt töödelda.
Raskeltsulavad metallid kuuluvad ka nn supersulamite koostisse. Need on sulamid, mis töötavad
väga kõrgetel temperatuuridel agressiivses keskkonnas pikka aega (rakettmootorites,
31

tuumareaktorites). Põhikomponendiks on nendes sulamites Co, Ni või Fe ja nad sisaldavad peale
raskeltsulavate metallide veel Cr ja Ti.
7.4.4 Väärismetallid
Siia kuuluvad hõbe (Ag), kuld (Au), plaatina (Pt) ja pallaadium (Pd).
Omadused:
- äärmiselt passiivsed, korrosioonikindlad;
- pehmed ja plastilised;
- kallid.
Kasutatakse ehete valmistamiseks. Ag ja Au saab tugevdada lisanditega, peamiselt vasega. Näit
lauahõbe on Ag + 7,5% Cu.
Ag ja Au on väga suure elektrijuhtivusega, Ag üldse suurimaga. Kuna ka korrosioonikindlad, siis
kasutatakse elektroonikas (mikroskeemides) väikeste voolude juhtmetena ja kontaktidena,
kõrgsagedustehnikas pinnakatetena jne. Ag siiski õhu käes aeglaselt oksüdeerub (tumeneb).
Pt kasutatakse keemialaboratooriumis: tiiglid, elektroodid, termopaarid. Pt on ka üks olulisemaid
katalüsaatoreid paljudele reaktsioonidele.
Pd omab väga suurt vesiniku neelamisvõimet.
7.4.5 Nikkel ja tema sulamid
Ni on korrosioonikindel paljudes keskkondades, eriti aluselistes. Ni-ga kaetakse teisi metalle
kaitseks korrosiooni eest ja ka ilusa välimuse saavutamiseks (nikeldamine). Katmine toimub
galvaaniliselt – elektrolüüsi teel.
Väga tähtsad on Ni sulamid vasega. Konstantaanist oli juttu. Väga tugev ja vastupidav agressiivsele
keskkonnale on sulam 65% Ni, 28% Cu, ülejäänud Fe. Kasutatakse kohtades, kus on kokkupuude
hapete ja naftasaadustega.
Ni on supersulamite põhikomponent ja kuulub ka roostevabade teraste koostisse. Ni ja Cr sulamit
(nikroom) kasutatakse vastupidava takistustraadi valmistamiseks kütteelementidele (elektripliidid,
triikrauad jne).
7.4.6 Plii (Pb), tina (Sn) ja tsink (Zn)
Pb js Sn on suhteliselt madala sulamistemperatuuriga, pehmed ja plastilised metallid, üsna
korrosioonikindlad. Pb ja Sn sulameid kasutatakse jootmiseks (sulavad eutektilisel temperatuuril
183 o C) ja laskemoona valmistamiseks. Pb kasutatakse veel akumulaatorite valmistamiseks ja
kaitseks radioaktiivse ning röntgenkiirguse eest.
Sn kasutatakse teraspleki katmiseks (tinaplekk), eriti toiduainetööstuses kasutamiseks. Sn ei lase
terasel korrodeeruda seni, kuni kate on terve ja ei lase ka terasel reageerida toiduainetega. Sn kuulub
mitmete sulamite koosseisu (pronksid).
Zn on aktiivne metall, korrodeerub. Kasutatakse terase katmiseks (tsinkplekk, tsingitud torud jne)
kaitseks korrosiooni eest. Zn kui aktiivsem metall korrodeerub kõigepealt ja ei lase raual
korrodeeruda. Zn kasutatakse väga paljude sulamite koosseisus (näit messing).
32

7.5 Metallide ja sulamite mehaaniline töötlemine
Mingi materjali, sh metalli kasutamise mingi detaili valmistamiseks määrab selle materjali
töötlemise kergus detailiks ja materjali hind.
Metallide töötlemise meetodid on esitatud joonisel 7-5.
7.5.1 Vormimine
Vormimise meetodid on sellised, kus metalli kuju muudetakse plastilise deformatsiooni käigus.
Selleks tuleb rakendada jõudu, millele vastav pinge ületab voolamispiiri. Kui deformeerimine
viiakse läbi temperatuuril, kus toimub metalli rekristalliseerumine (pärast deformatsiooni),
nimetatakse seda kuumtöötlemiseks. Vastasel juhul on tegemist külmtöötlemisega.
Kuumtöötlemisel on võimalik tunduvalt suurem deformatsioon ja selleks kuluv energia on väiksem.
Teiselt poolt kulub aga energiat kuumutamiseks ja piirab ka see, et suurem osa metalle oksüdeerub
õhu käes kõrgematel temperatuuridel, mistõttu saadavate detailide pind ei ole hea.
Külmtöötlemisel tuleb rakendada suuremat jõudu ja selleks kulub rohkem energiat. Eeliseks on aga,
et detailid on täpsemate mõõtmetega, paremate pinnaomadustega ja ka mehaaniliselt tugevamad.
Deformatsiooni aste ei saa olla liiga suur ja deformeerida tuleb tavaliselt mitmes astmes.
Vormimise meetodid on stantsimine (ka sepistamine), valtsimine, survetöötlemine (ekstrusioon) ja
tõmbamine (joon 7-6).
Stantsimisel saadakse kõige paremate mehaaniliste omadustega detailid. Jaguneb ruumiliseks ja
plaatide (lehtede) stantsimiseks. Ruumilisel stantsimisel deformeeritakse kogu metallist toorikut.
Teraslehtede stantsimise teel valmistatakse näiteks autokerede detaile.
Sepistamisel deformeeritakse kuuma toorikut löökidega alasi ja haamri vahel.
Kõige enamkasutatavam on valtsimine. Valtsid pöörlevad, materjali lükatakse ja tõmmatakse.
Toimub paksuse vähendamine valtside vahel (plekk), aga ka mitmesuguse profiili andmine (I – talad,
raudteerelsid, nurkrauad jne). Valtsimine toimub mitmes astmes.
Survemeetodeid kasutatakse tavaliselt kuumtöötlemisel, kuna külmalt ei ole materjalid küllalt
plastilised ja tuleks rakendada ülisuurt jõudu. Nimetatakse ekstrusiooniks. Seda meetodit
kasutatakse peamiselt Al ja Cu ning nende sulamite töötlemiseks. Valmistatakse näiteks vardaid ja
torusid. Ekstrusiooni kasutatakse rohkem plastide töötlemisel.
Tõmbamine toimub tavaliselt läbi ava, nii valmistatakse traati. Terastraadi tõmbamisel tuleb
kasutada ava valmistamiseks suure kõvadusega materjale, näit karbiide. Libisemise soodustamiseks
kasutatakse määrdeaineid ja vahel on vajalik ka mõõdukas soojendamine. Valmistatakse ka
kalibreeritud vardaid ja õhukeseseinalisi torusid.
7.5.2 Valamine (valu)
Valumeetodil valatakse sulametall vormi, kus ta omandab vormi kuju. Valuks sobivad metallid ja
sulamid, millel on vedelas olekus hea voolavus (väike viskoossus). Kasutatakse, kui:
- detail on nii suur või keerulise kujuga, et vormida ei saa;
- sulami deformeeritavus nii külmalt kui kuumalt on liiga väike;
- valu on odavam kui vormimine.
33

Kõige tavalisem on vormivalu. Ühekordsed vormid valmistatakse tavaliselt keraamilistest
materjalidest, mis pärast sulami tahkumist purustatakse. Kasutatakse ka korduvkasutatavaid
(avatavaid) vorme, mis on tsemendist või metallist ja on detaili kättesaamiseks avatavad. See
võimaldab ühte vormi kasutada palju kordi. Metallvormi nimetatakse kokilliks. Kokillid on suurema
soojusjuhtivusega, mistõttu tekib peenkristalne struktuur, mis on tugevam, kuid nad on kallid.
Nii valatakse näiteks autode mootoriplokke, tuletõrje hüdrante, kanalisatsiooni luuke jne.
Survevalu korral surutakse vedel sulam vormi ja jahutatakse surve all. Saavutatakse vormi parem
täitumine ja detailide parem kvaliteet.
Valuvormid valmistatakse terasest (kokillid) ja neid saab kasutada väga palju kordi. Kiirus tunduvalt
suurem kui vormivalul, kuid võimalik kasutada ainult madala sulamistemperatuuriga metallide (Al,
Mg, Zn) ja sulamite korral. Kasutatakse väga palju ka plastdetailide valmistamiseks, kus sideaineks
on termoplastiline polümeer.
Ümbervalu korral valmistatakse detaili täpne koopia vahast või madala sulamistemperatuuriga
plastikust. Selle ümber valmistatakse kõvenev vorm (kipsist, savist, tsemendist). Pärast vormi
kõvenemist sulatatakse või põletatakse vaha või plast vormist välja ja sinna valatakse sula metall või
sulam. Sellist meetodit kasutatakse, kui on vajalik detaili suur täpsus, reprodutseeritavus ja
viimistletus. Näiteks juveelitööstuses, hambakroonide ja proteeside valmistamisel jne.
Pidevat valu kasutatakse paljude metallide ja sulamite esmaseks kristalliseerimiseks. Vedel metall
voolab pideva joana liikuvasse vormi, kus ta jahtub (tavaliselt veega jahutatav) ja tahkub. Seejärel
läheb kohe edasisele kuum- või külmtöötlemisele.
7.5.3 Pulbermeetodid
Pulbermetallurgia seisneb selles, et sulami või erinevate sulamite segust koosnevast pulbrist
pressitakse vajaliku kujuga detailid ja need kuumutatakse temperatuuril, kus toimub
ümberkristalliseerumine. Saadaksegi valmis detail. Kasutatakse siis, kui 1)metallid või sulamid on
väga kõrge sulamistemperatuuriga (näit raskeltsulavad metallid); 2)nad on väga erineva
sulamistemperatuuriga (näit W ja Cu); 3)nad on väga väikese deformeeritavusega või 4)vajalik on
väga suur detailide täpsus.
Pulbermeetodite alla liigitatakse ka metallide keevitamise ja kokkujootmise meetodid.
Keevitamisel kasutatakse metallide ühendamiseks molekulide- või aatomitevahelisi jõude. Nende
jõudude mõjule pääsemiseks tuleb materjalide pinnal olevad osakesed viia üksteisele väga lähedale.
Selleks sulatatakse keevitatavad pinnad või kuumutatakse plastilise voolamise temperatuurini ja
surutakse kokku. Peamised keevitamise liigid on gaaskeevitus, elektrikeevitus ja kontaktkeevitus
(surve all).
Jootmisel sulatatakse ainult madala sulamistemperatuuriga joodis, mis tahkumisel nakkub
joodetavate metallidega. Joodised jaotatakse pehmejoodisteks (peamiselt Pb ja Sn baasil) ja
kõvajoodisteks (Cu, sulamid Cu-Zn baasil). Jootmisel kasutatakse räbusteid (lahustavad oksiide).
7.5.4 Detailide valmistamine lõikamisega
Peamised metalldetailide valmistamise viisid lõikamisega on treimine, puurimine, freesimine ja
lihvimine. Lõikamisel eraldatakse lõikeriista abil metalli kiht laastuna või pulbrina. Lõikeriistaks on
vastavalt treitera, puur, freestera ja lihvketas (lint), mis on valmistatud tööriistaterasest või muust
kõvasulamist (lihvimise korral abrasiivmaterjalist).
34

8. KERAAMILISED MATERJALID
Keraamilised materjalid kuuluvad anorgaaniliste mittemetalliliste materjalide hulka. Suurem osa
keraamilisi materjale on metallide ja mittemetalliliste elementide ühendid, kus keemiline side on
täielikult või osaliselt iooniline.
Väljend „keraamika“ tuleb kreekakeelsest sõnast „keramikas“, mis tähendab põletatud kivi. Sellega
on rõhutatud, et selle materjali olulised omadused tekivad kuumutamisel kõrgel temperatuuril
(põletamisel).
Varem mõisteti keraamiliste materjalide all neid, mille tooraineks oli savi. Keraamika hulka
kuulusid portselan, fajanss, klaas, telliskivid, kahhelkivid, šamott jne.
Viimase 50. aasta jooksul on keraamika mõiste tunduvalt avardunud. Keraamika hulka kuuluvad
paljud elektriisolatsioonimaterjalid, pooljuhtmaterjalid jm.
Vaatleme selles osas keraamiliste materjalide struktuuri, omadusi, detailide valmistamist ja
kasutamist.
8.1 Keraamiliste materjalide kristallstruktuurid
Keraamilised materjalid koosnevad kahest või enamast elemendist, seetõttu on nende
kristallstruktuurid tunduvalt keerulisemad kui metallidel. Keemiline side materjalides võib olla peaaegu
puhtast ioonilisest kuni pea-aegu puhta kovalentseni. Näiteks mõnede materjalide sideme
ioonilisuse %:
CaF 2 89
MgO 73
NaCl 67
Al 2 O 3 63
SiO 2 51
ZnS 18
SiC 12
Kuna side on alati osaliselt iooniline, võime kahest elemendist koosnevaid materjale vaadelda
koosnevana katioonidest ja anioonidest. Kristallstruktuuri tingivad kaks ioonide omadust – laeng ja
mõõtmed.
Materjal tervikuna on neutraalne, seega katioonide laeng peab olema kompenseeritud anioonide
laenguga. Näit Ca ioonid omavad laengut +2, F ioonid laengut -1. Seetõttu peab kaltsiumfluoriidi
kristallis olema iga Ca iooni kohta 2 F iooni ja keemiline valem ongi CaF 2 .
Katioonide moodustumisel annavad nad elektrone ära, seega nende mõõtmed vähenevad. Anioonide
moodustumisel saavad nad elektrone juurde, seega mõõtmed suurenevad. Seetõttu ongi üldjuhul
anioonide mõõtmed suuremad kui katioonidel ja anioonide paiknemine määrab ära kristallvõre tüübi.
Iga katioon püüab end ümbritseda võimalikult paljude anioonidega ja vastupidi. Stabiilne struktuur
moodustub aga ainult siis, kui naaber-katioonid on vahetus kontaktis naaber-anioonidega. See tingib
seose koordinatsiooni arvu ja katioonide ning anioonide raadiuste suhte vahel (joon 8-1).
Koordinatsiooniarvudele 4 ja 6 vastavad tühikud suuremate osakeste vahel (neis tühikuis asuvad
väiksemad osakesed) on vastavalt tetraeedri ja oktaeedri kujulised. Sellised tühikud esinevad
suurima pakketihedusega kristallvõredes (TTK ja SPH).
35

8.1.1 Materjalid üldvalemiga AX
Selliste materjalide korral on katioonide ja anioonide arv võrdne ning sõltuvalt raadiuste suhtest on
võimalikud 3 kristallvõret:
1) Keedusoola (NaCl) võre (joon 8-2).
Siin moodustavad suuremad ioonid – anioonid – TTK võre. Anioonide vahelistes oktaeedrilistes
tühimikes asuvad väiksemad katioonid. Kuna katioonide ja anioonide raadiuste suhe on vahemikus
0,4 – 0,7, siis on koordinatsiooniarv 6, kuna rohkem anioone ühe katiooni vahetusse lähedusse ei
mahu (vt ka joon 8-1)
Peale NaCl omavad sellist struktuuri veel LiF, MgO, FeO.
2) Tseesiumkloriidi (CeCl) võre (joon 8-3).
Siin on katioonide ja anioonide raadiused lähedased ning seetõttu on võimalik koordinatsiooniarv 8
(vt ka joon 8-1). Kristallvõre ei ole RTK. Kui vaadata eraldi anioonide kristallvõret, siis see
moodustab lihtsa kuubilise võre ja anioonide vahelistes tühimikes asuvad katioonid. Veel võib sellist
võret kirjeldada kui kaht lihtsat kuubilist võret (ühe moodustavad anioonid, teise katioonid), mis on
teineteise suhtes nihutatud ½ kuubi diagonaali võrra.
3) Sfaleriidi (üks ZnS modifikatsioon) võre (joon 8-4).
Siin on katioonid tunduvalt väiksemad kui anioonid ja koordinatsiooni arv on ainult 4. Anioonid
moodustavad jälle TTK võre ja katioonid asuvad anioonide vahelistes tetraeedrilistes tühimikes (vt
ka joon 8-1). Võret võib kirjeldada ka nii, et ka katioonid moodustavad TTK võre, mis on nihutatud
anioonide võre suhtes ¼ kuubi diagonaali võrra.
Sfaleriidi struktuur on väga iseloomulik pooljuhtidele. Sellist struktuuri omab veel SiC.
8.1.2 Materjalid üldvalemiga A m X n ja A m B n X p
Siin on erinevat tüüpi materjale. Näiteks A m X n hulgas võivad olla AX 2 , A 2 X, AX 3 , A 3 X, A 2 X 3 ,
A 3 X 2 tüüpi jne.
AX 2 tüüpi materjali näiteks on CaF 2 . Tema struktuur on tegelikult sarnane CeCl struktuuriga (joon
8-5). Seal moodustavad fluori ioonid lihtsa kuubilise võre. Poolte kuupide tsentrites asuvad Ca
ioonid, pooltel ei ole tsentris midagi. Need ei ole vakantsid – seal ei peagi midagi olema, kuna Ca
ioone on poole vähem kui F ioone.
A 2 X 3 tüüpi materjali näiteks on Al 2 O 3 .
Veel keerulisemad on A m B n X p tüüpi materjalid, mis sisaldavad kahte katiooni – A ja B – ning ühte
aniooni X.
Näiteks BaTiO 3 (baariumtitanaat), mis sisaldab Ba 2+ , Ti 4+ ja O 2- ioone (joon 8-6). Ba ioonid
moodustavad lihtsa kuubilise võre. Igal tahu keskel on üks O ioon ja kuubi tsentris asub Ti ioon.
Näib, nagu oleks elementaarrakus 8 Ba iooni, 6 O iooni ja ainult üks Ti ioon. Tegelikult kuulub
elementaarrakku igast Ba ioonist 1/8, seega ka ainult üks ioon. Igast O ioonist kuulub
elementaarrakku pool, seega tegelikult 3 iooni. Ioonide suhe tuleb 1:1:3, nagu näitab ka keemiline
valem. Kuna Ba ja O ioonid on peaaegu ühesuurused, siis võib sellist võret käsitleda kui TTK võret,
36

kus väikesed Ti ioonid asuvad oktaeedrilistes tühimikes. Sellist struktuuri nimetatakse perovskiidi
struktuuriks.
Teine enamlevinud struktuur keraamilistes kolmikühendites on spinelli struktuur, mille üldvalem on
AB 2 X 4 ehk AX·B 2 X 3 . Näiteks FeAl 2 O 4 ehk FeO·Al 2 O 3 . Sellise struktuuriga on paljud
magnetmaterjalid, ka magnetiit (rauamaak): FeO·Fe 2 O 3 . Ka seda struktuuri võib suuremate ioonide
suhtes lugeda TTK võreks.
Kokkuvõttes võib öelda, et suurem osa keraamilisi materjale omab TTK võret, ainult mõned lihtsat
kuubilist võret.
8.2 Silikaatne keraamika
Silikaadid koosnevad peamiselt ränist ja hapnikust, kahest maakoores enamlevinud elemendist.
Silikaadid on peamised koostisosad kivimites, savis, liivas.
Silikaatide struktuuri käsitlemisel ei vaadelda mitte niivõrd võre elementaarrakkude ehitust, kuivõrd
räni ja hapniku seoseid. Nimelt on silikaatidele iseloomulik räni ja hapniku tetraeedrite (SiO 4
4-
tetraeedrite) esinemine (joon 8-7). Side Si ja O vahel on suunatud, st on teatud määral kovalentne.
Erinevate silikaatide struktuurides on need SiO 4 4- tetraeedrid ühendatud erinevateks ühe-, kahe- või
kolmemõõtmelisteks struktuurideks.
8.2.1 Ränidioksiid SiO 2
Keemiliselt lihtsaim silikaatne materjal on SiO 2 , mis on liiva põhikoostisosa. SiO 2 struktuur koosneb
vaadeldud tetraeedritest, kus tetraeedri tipus olev hapnik on ka teise tetraeedri tipuosakeseks. Kui
need tetraeedrid paiknevad korrapäraselt, tekib kristallstruktuur. SiO 2 omab kolme polümorfset
kristallmodifikatsiooni: kvarts, kristobaliit ja tridimiit. Nad on küllalt keerulise struktuuriga, joonisel
8-8 on esitatud kristobaliidi elementaarrakk. Kuna side on osaliselt kovalentne ja suunatud, siis on
võre üsna hõre ja materjali tihedus on väike (kvartsi tihedus ainult 2,65 g/cm 3 ). Kuna side on tugev,
siis omab SiO 2 kõrget sulamistemperatuuri (kvartsil 1710 o C).
SiO 2 võib olla ka mittekristalses e klaasitaolises olekus, kus tetraeedrite paigutus on mingil määral
juhuslik. Tetraeedrid esinevad ka vedelas SiO 2 -s, kus nad paiknevad juhuslikult. Silikaatklaasid on
sisuliselt allajahutatud vedelikud, kus tetraeedrid ei ole jõudnud omandada korrapärast paiknemist.
On veel oksiide, mille jahtumisel on kristallide teke raskendatud ja mis seetõttu moodustavad klaasi.
Koos SiO 2 -ga nimetatakse neid klaasimoodustavateks oksiidideks (veel B 2 O 3 ja P 2 O 5 ).
Tavalised anorgaanilised klaasid (näit aknaklaas) on silikaatklaasid (klaasimoodustaja SiO 2 ), kuhu
on lisatud ka teisi oksiide (Na 2 O, CaO jt). Sellisel juhul ioonid Na + , Ca 2+ paigutuvad tetraeedrite
vahele ja takistavad veelgi tetraeedrite korrapärast paiknemist, st soodustavad klaasi moodustumist.
Na-silikaatklaasi struktuuri näide on esitatud joonisel 8-9.
8.2.2 Silikaadid
Silikaatsetes mineraalides esinevad need SiO 4 4- tetraeedrid üksikult või kompleksidena kahest,
kolmest jne tetraeedrist (joon 8-10). On võimalik ka tsüklite ja ahelate tekkimine tetraeedritest.
SiO 4 4- tetraeedrite laengu kompenseerivad katioonid Ca 2+ , Mg 2+ , AL 3+ jne. Peale laengu
kompenseerimise seovad katioonid omavahel neid SiO 4 4- tetraeedreid ioonse sidemega.
37

Ühe tetraeedriga on näiteks mineraal fosteriit (Mg 2 SiO 4 ), kahe tetraeedriga mineraal akermaniit
(Ca 2 MgSi 2 O 7 ).
Tetraeedritest võivad moodustuda ka kihid. Nende kihtide struktuur on analoogiline kristalse kvartsi
struktuuriga (joon 2-20), ainult iga Si-ga on ühendatud neljas O risti tasapinnaga. Sellises kihilises
struktuuris korduvad lülid (Si 2 O 5 ) 2- .
Savi ühes põhikomponendis – kaoliinis – on need (Si 2 O 5 ) 2- kihid seotud Al 2 (OH) 4 2+ kihtidega (joon
8-23). Need kaks kihti on seotud omavahel tugevate iooniliste – kovalentsete sidemetega ja
moodustavad kaksikkihi. Need kaksikkihid on seotud teiste kaksikkihtidega aga nõrkade van der
Waalsi sidemetega. Seega koosneb kaoliin Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 omavahel nõrgalt seotud kaksikkihtidest.
Sellistest paralleelsetest kaksikkihtidest koosnevadki õhukesed savi „libled“, läbimõõduga kuni 1
μm. Kihilise ehitusega on ka paljud teised silikaatsed mineraalid, millistest peale kaoliini on
tuntumad talk Mg 3 (Si 2 O 5 )(OH) 2 ja muskoviit (vilgu komponent) KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 .
8.2.3 Süsiniku modifikatsioonid
Süsinik esineb mitme polümorfse modifikatsioonina ja ka amorfsena.
Teemant on toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul metastabiilne modifikatsioon. Ta tekib ülikõrgel
rõhul. Tema struktuur on sfaleriidi struktuuriga sarnane, ainult kõik osakesed on samad (C) (joon 8-
11). Teemandi struktuuri saame, kui TTK võre sisse asetada teine samasugune võre, mis on esimese
suhtes nihutatud ¼ kuubi diagonaali võrra. Koordinatsiooni arv on seal 4. See tuleneb sideme tüübist
– sidemed on puhtalt kovalentsed (suunatud) ja tingitud sp 3 hübriidsete orbitaalide poolt. Iga
süsiniku aatomi naabrid moodustavad jällegi tetraeedri. Võre on võrdlemisi hõre.
Samasuguse struktuuriga on ka pooljuhid Si ja Ge ning üks Sn modifikatsioon (hall tina).
Teemandi füüsikalised omadused on äärmiselt atraktiivsed. Ta on kõige kõvem kõigist tuntud
materjalidest. Elektrijuhtivus on äärmiselt väike, kuid soojusjuhtivus on ebanormaalselt suur
mittemetallilise aine jaoks. Ta on optiliselt läbipaistev nähtavas ja infrapunases spektriosas. Tal on
suur murdumisnäitaja. Tööstuses kasutatakse teemanti lõikeriistades. Teemanti saadakse ka
sünteetiliselt, peamiselt polükristalse kilena, gaasifaasis toimuva reaktsiooni abil. Kilet kasutatakse
igasuguste pindade kõvendamiseks (lõike, puurimise, lihvimise jm tööriistad).
Teine modifikatsioon on grafiit, mis on tavatingimustes stabiilne. Grafiit on kihilise ehitusega.
Kihtides on iga C aatom seotud kolme teise C aatomiga tugeva kovalentse sidemega. Neljas süsiniku
valentselektron võtab aga osa kihtidevahelisest van der Waalsi sidemest (nõrk side). Sellised kihid
libisevad väga kergelt üksteise suhtes ja grafiiti saab kasutada määrdeainena (grafiitmääre). Grafiidi
kristallid on väga anisotroopsete omadustega. Näiteks elektrijuhtivus piki kihte on suur nagu
metallidel, risti kihte aga sadu kordi väiksem (nagu pooljuhtidel). Polükristalse grafiidi juhtivus on
vahepealne.
Grafiiti kasutatakse väga laialdaselt tänu tema keemilisele passiivsusele kõrgete temperatuurideni
mitteoksüdeerivas (hapnikuvabas) keskkonnas. Kasutusalad: kütteelemendid, elektroodid,
valuvormid, keemilised reaktorid, tiiglid ja konteinerid, takistid, galvaanielemendid, õhupuhastites
jne.
Kolmas modifikatsioon on 1985.a avastatud nn fullereenid. Need on sfäärilised moodustised 60-st C
aatomist, mida võib nimetada ka molekuliks (joon 8-12). Materjal kristalliseerub nii, et need
fullereenid moodustavad PTK võre. Materjal on dielektrik, kuid sobivate lisandite sisseviimisel võib
saada pooljuhi või elektri juhi.
38

Mingil määral sarnase struktuuriga on süsiniku nanotorud, mis on viimase aja avastus (joon 8-13).
Siin moodustab C aatomite kiht (grafiidi üksikkiht) nanomõõtmetes toru – läbimõõt kuni 100 nm.
Toru otsad on sfäärilised nagu fullereenid ja toru pikkus võib olla tuhandeid kordi suurem
läbimõõdust – mikromeetrites. Sellised nanotorud on väga tugevad ja jäigad, kuid suhteliselt hea
venitatavusega. Tõmbetugevus on suurusjärk suurem kui süsiniku kiududel, seega tugevaim tuntud
materjalidest. Samal ajal tihedus on suhteliselt väike. Väga perspektiivne materjal suure tugevusega
komposiitide valmistamiseks.
8.3 Keraamiliste materjalide faasidiagrammid
Keraamilised materjalid on mitmete ühendite, peamiselt oksiidide segud. Faasidiagrammide
vaatlemisel võib neid ühendeid käsitleda nagu komponente.
Süsteemi Al 2 O 3 – Cr 2 O 3 faasidiagramm on esitatud joonisel 8-14. Diagramm on analoogiline
isomorfse süsteemi faasidiagrammiga, kus komponentideks on Al 2 O 3 ja Cr 2 O 3 . Kuna need oksiidid
omavad ühesugust kristallstruktuuri, siis tekib tahkes olekus piiramatu tahke lahus, kus Al 3+ ja Cr 3+
ioonid võivad üksteist võres asendada.
Tavaliselt on faasidiagrammid tunduvalt keerulisemad. Vaatleme kaht süsteemi.
1) MgO – Al 2 O 3 (joon 8-15)
Siin tekib keemiline ühend MgAl 2 O 4 (spinell). MgO ja MgAl 2 O 4 lahustuvad teatud ulatuses
üksteises ja tekib kaks tahket lahust: MgO baasil (MgAl 2 O 4 lahus MgO-s) ja MgAl 2 O 4 baasil (MgO
lahus MgAl 2 O 4 -s). Need kaks tahket lahust moodustavad vahepealses osas mehaanilise segu.
Süsteemi teine komponent – Al 2 O 3 – tahket lahust ei moodusta, st temas keemiline ühend MgAl 2 O 4
ei lahustu.
2) SiO 2 – Al 2 O 3 (joon 8-16)
Siin tekib keemiline ühend mulliit (3Al 2 O 3 ·2SiO 2 ), mis on väga levinud keraamiline materjal.
Mulliit on veidi muutuva koostisega, st sisuliselt moodustab tahke lahuse. Mulliit ja kristobaliit
(SiO 2 modifikatsioon) moodustavad eutektilise süsteemi. Al 2 O 3 modifikatsiooniks siin on alund.
Mulliit laguneb peritektilisel temperatuuril 1890 o C vedelikuks ja alundiks.
8.4 Keraamiliste materjalide mehaanilised omadused
Mehaaniliselt on keraamilised materjalid, eriti savi baasil valmistatud materjalid, rabedad ja haprad.
See piirab teatud määral nende kasutamist. Juba küllalt väikeste pingete korral nad purunevad. Neil
võib olla küll kitsas elastse deformatsiooni piirkond, aga plastilise deformatsiooni piirkond
toatemperatuuril praktiliselt puudub. See kehtib nii kristalsete kui ka mittekristalsete materjalide
kohta. Rabedus on seletatav mikropragude esinemisega paljudes keraamilistes materjalides.
Seega on keraamiliste materjalide mehaanilised omadused oluliselt erinevad metallide omadustest.
Seetõttu on erinevad ka nende kasutusalad. Keraamiliste materjalide klassifikatsioon vastavalt
kasutusaladele on esitatud joonisel 8-17.
Suuremad materjalide rühmad on anorgaanilised klaasid, savi baasil valmistatud materjalid ja
kuumakindlad materjalid. Peale selle kuuluvad siia veel abrasiivid, tsement ja erikeraamika.
39

8.5 Anorgaanilised klaasid
Anorgaanilised klaasid peavad sisaldama vähemalt ühte klaasimoodustavat oksiidi, tavaliselt SiO 2 .
Peale selle sisaldavad nad ka teisi oksiide: CaO, Na 2 O, K 2 O, Al2O3 jt. Tavalist klaasi kasutatakse
aknaklaasina, klaastaarana, laboriklaasina, optiliste läätsede valmistamiseks, klaaskiu
valmistamiseks jne. Klaasi lähteained on: räniliiv (SiO 2 ), sooda (Na 2 CO 3 ), potas (K 2 CO 3 ), lubjakivi
(CaCO 3 ), booraks (Na 2 B 4 O 7 ) jm.
Mõned klaasisordid, nende koostis, omadused ja kasutamine:
Klaas SiO 2 Na 2 O CaO Al 2 O 3 B 2 O 3 Omadused Kasutamine
1. Sulatatud kvarts >99,5 Väga väike Tiiglid,
joonpais. tegur konteinerid
2. Kvartsklaas 96 4 Termolöökide kindel, Laboriklaas
(Vycor)
keemil. vastupidav
3. Boorsilikaatklaas 81 3,5 2,5 13 - „ - Laboriklaas,
(Pyrex)
toidunõud
4. Aknaklaas 74 16 5 1 (4MgO)Madal sulamistemp, Aknaklaas
kerge töödelda
5. Klaaskiud 55 16 15 10(+4MgO) Kergelt kiududeks
tõmmatav
6. Optiline klaas 54 1 (+37 PbO+8K2O) Suure tiheduse ja Läätsed jm
murdumisnäitajaga
7. Klaaskeraamika 70 18 (+4,5TiO 2 Toidunõud
+2,5Li 2 O)
Klaasid kui mittekristalsed materjalid ei oma kindlat sulamistemperatuuri. Kuumutamisel muutuvad
nad järjest pehmemaks ja voolavamaks, kuni näivad vedelad. Üks erinevus kristalsete ainete ja
klaaside vahel on veel see, et klaasidel ei toimu tahkumisel hüppelist mahu muutu (joon 8-18).
Klaasistumistemperatuuril T g (seal muutuvad rabedaks) toimub ainult väike kalde muutus.
Joonisel 8-19 on esitatud mõnede klaasisortide viskoossuse sõltuvust temperatuurist (viskoossus –
vedelike omadus takistada teiste vedeliku kihtide voolamist; mida suurem viskoossus, seda väiksem
voolavus). Joonisel on olulised järgmised punktid:
1) Sulamispunkt – viskoossus η on umbes 10 Pa·s – muutub vedelaks
2) Tööpunkt (η = 1000 Pa·s) – võimalik töödelda klaasimassi
3) Pehmenemispunkt (η = 5·10 6 Pa·s) – hakkab deformeeruma
4) Lõõmutuspunkt – sellele vastaval temperatuuril toimub lõõmutus, mille käigus kõrvaldatakse
termilised pinged, mis tekivad kiirel jahutamisel
5) Klaasistumispunkt – muutub rabedaks
Suurem osa klaasi vormimise operatsioone teostatakse tööpunkti ja pehmenemispunkti vahel. Seda
nimetatakse töötlemise piirkonnaks. Selle piirkonna temperatuur sõltub klaasi sordist.
Klaasdetailide valmistamine:
Lähtematerjalid sulatatakse koos. Kui on vajalik läbipaistvus, siis peab klaasimass olema
homogeenne ja mullivaba, st küllalt vedel. Detailide valmistamiseks kasutatakse peamiselt kolme
tehnoloogiat:
1) pressimist; 2) puhumist; 3) tõmbamist.
40

Pressimist kasutatakse suhteliselt paksude detailide valmistamiseks, näiteks toidunõud. Pressvorm
on grafiidiga kaetud malmvorm, mida kuumutatakse.
Puhumist kasutatakse pudelite, elektripirnide jne valmistamiseks. Puhumine võib toimuda samuti
vormi sisse ja teostatakse tavaliselt automaatseadmetega. Joonisel 8-20 on näidatud, kuidas toimub
klaaspudeli valmistamine pressimise ja puhumise meetodil. Keeruliste ja kunstiesemete puhumine
toimub käsitsi.
Tõmbamist kasutatakse aknaklaasi, torude ja varraste valmistamiseks.
Eraldi tehnoloogia on väga pikkade, ühtlase läbimõõduga ja peenikeste klaaskiudude tõmbamiseks.
Neid kasutatakse näit klaasriide valmistamiseks ja komposiitides. Erikujulisi klaaskiude kasutatakse
lainejuhtides (fiiberoptilised kaablid). Iga kiud koosneb kahest osast: keskmine suurema
murdumisnäitajaga osa ja välimine väiksema murdumisnäitajaga kiht (joon 8-21). Sellisel juhul
toimub valguskiirte täielik sisepeegeldumine kahe kihi piirpinnalt ja kiired ei välju kiust. Küll
toimub valguse intensiivsuse mõningane vähenemine (neeldumise tõttu) ja impulsside ajaline
pikenemine. Kaabel koosneb kümnetest tuhandetest kiududest. Kaablisse suunatavad valgussignaalid
genereeritakse tavaliselt pooljuhtlaseri abil, kaablist väljuvate signaalide detektoriks on
tavaliselt fotodiood (valgustundlik diood), mis muundab valgussignaalid elektrilisteks (joon 8-22).
Veel mõnedest klaasisortidest.
Värviline klaas saadakse järgmiste oksiidide abil: CaO – sinine; Cr 2 O 3 – roheline; MnO 2 – pruun;
UO 2 – kollane.
Ultraviolettkiirgust läbilaskev klaas on sulatatud kvarts.
Karastatud klaas saadakse kiirel ja ühtlasel jahutamisel, tavaliselt külma õhu joas. Ta on raskesti
purunev.
Klaaskeraamika on kristalliseerunud klaas. Kristalliseerumist püütakse tavaliselt klaasi
valmistamisel vältida, kuna kristalne klaas on polükristalse ehitusega ja seetõttu läbipaistmatu
(piimjas – valge). Aga tal on ka väga häid omadusi: tal on väga väike ruumpaisumise tegur ja ei
karda seetõttu termilisi lööke; tal on suurem soojusjuhtivus ja mehaaniline tugevus kui klaasil jne.
Seetõttu sobib keedunõude ja teiste termilisi lööke taluvate toidunõude valmistamiseks.
Klaaskeraamika saamiseks tuleb viia klaasimassi lisandeid, mis tekitavad kristallisatsiooni idusid.
Sellisteks lisanditeks sobivad TiO 2 , Li 2 O jt.
8.6 Traditsiooniline keraamika
Traditsiooniliseks nimetatakse savi baasil valmistatud keraamikat. Savi on keraamiliste materjalide
kõige enamkasutatavam lähtematerjal, kuna ta on odav, teda on palju, teda saab kasutada ilma
muude lisanditeta ja savi segu veega on väga plastiline ning hästi vormitav.
Savi baasil valmistatud keraamika jaguneb laias laastus ehituskeraamikaks ja portselaniks.
Ehituskeraamika hulka kuuluvad tellised, kahhelkivid, keraamilised plaadid jne. Portselan on selline
keraamika, mis põletamisel muutub valgeks. Portselanist valmistatakse toidu- ja muid nõusid,
sanitaartehnikat, elektriisolaatoreid jne. Portselan sisaldab peale savi veel teisi komponente, mis
mõjutavad detailide omadusi.
Savid on alumosilikaadid, st sisaldavad Al 2 O 3 -e, SiO 2 -e ja keemiliselt seotud vett (kristallvett). Savi
põhikomponendi kaoliini Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 valemi võib kirjutada ka Al 2 O 3·2SiO 2·2H 2 O, ta on
41

kihilise ehitusega (joon 8-23). Kui lisada savile vett ja segada, siis tungib vesi kihtide vahele ja on
seal õhukese kilena. Seetõttu saavad niiskes savis kihid üksteise suhtes kergelt liikuda.
Peale savi sisaldab portselan veel täiteaineid ja sulandajaid. Täiteainena kasutatakse tavaliselt liiva
ja sulandajana põldpagu. Põldpagu on samuti alumosilikaat, mis sisaldab Na + , K + ja Ca + ioone. Ta
omab suhteliselt madalat sulamistemperatuuri ja tahkumisel moodustab klaasi.
Tüüpilised portselanid sisaldavad umbes 50% savi, 25% puhast kvartsliiva ja 25% põldpagu.
Keraamiliste detailide valmistamine.
Komponentidest vormitakse mitmesuguste märg- ja kuivmenetluste teel detailid. Peamised meetodid
on hüdroplastiline vormimine, vormivalu ja pulbri pressimine.
Järgneb kuivatamine (kui kasutati märgmenetlust). Kuivatamisel maht veidi väheneb, kuna vesi
eemaldub savi kihtide vahelt (joon 8-24). Niiskuse eemaldumine pinnalt auramise teel ei tohi olla
liiga kiire, mitte kiirem kui vee difusioon sisemusest pinnale. Vastasel juhul kuivavad pinnakihid
kiiremini ja pragunevad.
Järgneb põletamine, mis toimub vahemikus 900 – 1400 o C ja sõltub lähtematerjalide koostisest ja
detailide vajalikest omadustest. Põletamisel osa alumosilikaate sulab ja voolab tühimikesse.
Jahtumisel see osa klaasistub ning seob omavahel kristalsed osad (peamiselt kvarts). Mida kõrgemal
temperatuuril põletatakse, seda rohkem alumosilikaate sulab ning seda vähem jääb materjali sisse
poore. Telliseid põletatakse umbes 900 o C juures ja nad sisaldavad palju poore. Portselani
põletatakse kõrgemal temperatuuril. Paljud keraamilised detailid kaetakse glasuuriga, mis on
sisuliselt klaasikiht.
8.7 Muud keraamilised materjalid
8.7.1 Kuumakindlad materjalid
Neid kasutatakse soojusisolatsiooniks kõrgetel temperatuuridel, näit metallide sulatuse ahjudes,
klaasisulatusahjudes, valuvormides jne. Nad peavad omama väga kõrget sulamistemperatuuri ja
olema seejuures keemiliselt inertsed.
Kasutatakse peamiselt nelja tüüpi materjale:
1) Šamottsavi. Sisaldab 25 – 45% Al 2 O 3 , ülejäänud SiO 2 . Faasidiagrammilt (joon 8-16) on näha, et
sellises süsteemis tekib sula faas temperatuuril 1587 o C. Tahked faasid on kristalsed mulliit ja
kristobaliit. Šamott-telliseid kasutatakse tulekollete, korstnate jms ehitusel.
2) Kvarts (puhas SiO 2 ). Sulamistemperatuur üle 1700 o C. Kasutatakse sulatusahjude
soojusisolatsiooniks ja valuvormide valmistamiseks.
3) MgO baasil valmistatud materjalid – taluvad Mg ja Ca oksiidide juuresolekut. Kasutatakse
isolatsioonina terasesulatusahjudes.
4) Erimaterjalid: mulliit, BeO, ZrO 2 , grafiit, SiC. Kallid.
8.7.2 Abrasiivid
Abrasiive kasutatakse lihvpulbrite, ketaste ja paberi (nn liivapaberi) valmistamiseks. Neil peab
olema suur pinnakõvadus ja hõõrdetugevus. Kõige parem abrasiivmaterjal on teemantpulber.
Ainuke viga – kallis. Kasutatakse veel ränikarbiidi (SiC), volframkarbiidi (WC), korundit (Al 2 O 3
modifikatsioon) ja ka tavalist kvartsliiva.
42

8.7.3 Tsement
Kõige tavalisem on portland-tsement. Savi ja lubjakivi segatakse ja jahvatatakse. Seejärel
kuumutatakse pöördahjus temperatuuril 1400 o C. Eraldub kristallvesi. Tekkiv klinker jahvatatakse
suure peenestusastmeni ja lisatakse veidi kipsi. Kundas lisatakse lähteainetele ka põlevkivituhka.
Tsemendi peamised koostisosad on Ca-silikaadid, näit Ca 2 SiO 4 (2CaO·SiO 2 ). Kivistumisel seob
uuesti kristallvee ja tekib kristalne struktuur:
2CaO
⋅ SiO2 + xH2O
= 2CaO ⋅SiO2
⋅ xH2O
Mördi valmistamisel lisatakse tavaliselt liiva (täiteaine) ja lupja või savi (plastifikaator).
8.7.4 Erikeraamika
Erikeraamika hulka võib lugeda näiteks piesokeraamika. Piesoelektriline efekt seisneb selles, et
materjal polariseerub mehaanilise surve toimel. Sellised omadused on näiteks kvartsi
monokristallidel. Nimetatakse piesokvatrsiks. Saab valmistada väga püsiva sagedusega
resonaatoreid (kvartskellad).
Erikeraamikaks võib lugeda ka kuullaagrite kuulide valmistamiseks kasutatavaid materjale. Praegu
on selleks räninitriid Si 3 N 4 . Sellised kuullaagrid, kus saaled on terasest ja kuulid räninitriidist
(hübriidsed laagrid), töötavad suurematel pöörlemiskiirustel, omavad väiksemat müra ja vibratsiooni.
9. POLÜMEERMATERJALID
9.1 Sissejuhatus
Looduslikke polümeere on kasutatud juba väga ammu. Nendeks on mitmed loomsed ja taimsed
polümeerid: puuvill, vill, puit, kautšuk, nahk, siid jt. Eelmisel sajandil hakati polümeere sünteesima
ja nüüd tuntakse juba väga-väga palju sünteetilisi polümeere. Nende kasutamine on väga laialdane
kahel põhjusel: 1)nende tootmine on suhteliselt odav; 2)nende omadusi saab varieerida väga laiades
piirides. Paljudes kohtades, kus varem kasutati puitu või metalli, kasutatakse nüüd polümeere.
9.2 Polümeeride struktuur
Polümeeride molekulid on pikad ahelad, mis koosnevad palju kordi korduvatest lülidest. Tähtsamate
polümeeride molekulide lülide struktuur on toodud joonisel 9-1.
Molekulide kuju. Pole mingit alust oletada, et molekulide ahelad on sirged. Näiteks süsinikahelates
on süsiniku aatomite vahelised üksiksidemed nurga 109 0 all. Seejuures saavad üksiksidemed
pöörelda oma telje ümber. Seega võivad süsiniku aatomid asetseda mistahes punktis koonuse serval,
nagu kujutatud joonisel 9-2. See loob palju võimalusi ahelate paindumiseks. Summaarselt võib
polümeeri molekuli kujutada ette nii, nagu joonisel 9-3. Molekuli mõõtmed (r) on seega tunduvalt
väiksemad, kui molekuli tegelik pikkus. Selline molekulide kuju ja molekulide omavaheline
läbipõimumine tingib mitmed polümeeride unikaalsed omadused, nagu näiteks suhteliselt suur
elastsus ja painduvus. Polümeerid, mille ahelates on kaksiksidemed, on tunduvalt jäigemad
(kaksiksidemed ei saa pöörelda).
43

Molekulide ehituse alusel jagunevad polümeerid järgmiselt:
1)lineaarse ahelaga;
2)hargneva ahelaga;
3)ristsidemetega;
4)ruumilise ehitusega.
Vastavad molekulid on toodud joonisel 9-4 vastavalt a, b, c ja d.
Kõige enamkasutatavad on lineaarsed polümeerid. Nende hulka kuuluvad näiteks PE, PVC,
polüstürool jt. Hargneva ahelaga on näiteks tärklis. Ristsidemetega on kummi, mis saadakse
kautšuki vulkaniseerimisel. Materjal, kus molekulide vahel on palju ristsidemeid, on sisuliselt
ruumilise ehitusega. Sellisteks on näiteks epoksüüd- ja fenool-formaldehüüdvaigud.
Kui kõik korduvad lülid on ühesugused, on tegemist homopolümeeriga, kui lülid on erinevad, siis
kopolümeeriga. Kopolümeerid jagunevad: juhuslikud, vahelduvad, blokk-kopolümeerid ja
hargnevad kopolümeerid (joon 9-5 vastavalt a, b, c ja d).
Suurem osa polümeere on toatemperatuuril amorfses (klaasitaolises) olekus. Mõned võivad olla ka
kristalse ehitusega. Polümeeride kristalne ehitus seisneb selles, et pikad ahelad on pakitud
korrapäraselt.
Kui madalmolekulaarsed ained on kas täielikult kristalsed või täielikult amorfsed, siis polümeerid on
osaliselt kristalsed, st neil vahelduvad kristalsed osad amorfsetega (vaata joon 9-6).
Polümeeride kristalsuse aste sõltub jahutamise kiirusest, ahelate ehitusest ja ahela lülide struktuurist.
Kristalliseerumine on raskem, kui lülid on keerulise ehitusega (näit elastomeeride korral). Lihtsa
ehitusega polümeeride korral (PE, teflon) on raske kristalliseerumist ära hoida ka väga kiire
jahutamise korral. Lineaarsed polmeerid kristalliseeruvad kergemini, ristsidemetega ja ruumilised on
peaaegu täielikult amorfsed.
Paljud polümeerid kristalliseeruvad nn sferuliitide kujul. Sferuliidi nimetus tuleb sellest, et osakesed
on seal sfäärilise kujuga ja koosnevad üksikutest lamellidest, mis on suunatud osakese tsentrist
väljapoole. Lamellid koosnevad kristalsetest kihtidest, kus polümeeri ahel voldib ennast lamelli
paksusesse (10 – 20 nm) kihti, ja seal vahel olevatest amorfsetest osadest. Ka sferuliidid on
eraldatud üksteisest õhukeste amorfsete osadega. Joonisel 9-7 on kujutatud sferuliite, mis on leitud
naturaalsest kautšukist.
9.3 Polümeeride tüübid
Termokäitumise järgi liigitatakse polümeerid termoplastseteks ja termoreaktiivseteks.
9.3.1 Termoplastid
Termoplastid on lineaarsed või vähehargnenud polümeerid, mis korduvalt kuumutamisel
pehmenevad (vedelduvad) ja jahtudes tahkestuvad. Võivad olla amorfsed või poolkristallilised.
Amorfsed võivad olla näiteks polümetüülmetakrülaat, polüstürool, polüvinüülkloriid jt.
Osaliselt kristallilised on näiteks polüetüleen (eriti kõrgtihe), polütetrafluoretüleen, polüpropüleen,
polüamiidid (nailon), polüetüleen-tereftalaat (polüester) jt.
Esinevad ka vedelkristalsed polümeerid. Neis esinevad vedelas olekus korrastatud alad. Korrastus
võib olla ühedimensionaalne (nemaatilised) või kahedimensionaalne (smektilised) (vt joonis 9-8).
Vedelkristalses olekus võivad olla näiteks täisaromaatsed polüestrid (polüarülaadid) ja
44

täisaromaatsed polüamiidid (polüaramiidid). Poolkristalse, amorfse ja vedelkristalse polümeeri
olekute võrdlus vedelas ja tahkes olekus on toodud joonisel 9-9.
9.3.2 Termoreaktiivsed polümeerid
Kõvastuvad kuumutamisel ja enam ei pehmene enne hävimist (degradeerumist). Esmakordsel
kuumutamisel tekivad ahelatevahelised ristsidemed, mis enam ei katke.
Siia kuuluvad tihedal ristsidumisel tekkivad võrestikstruktuuriga tõelised termoreaktiivid ehk
reaktoplastid, nagu näiteks fenool-formaldehüüdvaik (fenoplast) ja melamiin-formaldehüüdvaik.
Termoreaktiivsete polümeeride hulka kuuluvad ka kummid, mis saadakse elastomeeride
vulkaniseerimisel. Elastomeeridel on väga paindunud, keerdunud ja pikk lineaarne ahel, mida on
kerge sirgeks tõmmata. Neil on lai elastse oleku piirkond ja suur elastne deformatsioon (väike
elastsusmoodul). Nende elastsusmoodul muutub mehaanilise pinge muutumisel, st pinge –
deformatsiooni sõltuvus on mittelineaarne. Pinge eemaldamisel taastavad nad oma esialgse pikkuse.
Kummide termoreaktiivsus avaldub vastupanus kuumutamisele (ei pehmene enne degradeerumist)
Tähtsamate elastomeeride ahelad on toodud joonisel 9-10. Nagu näha, sisaldavad osa ahelaid
kaksiksidet (küllastamata polümeerid), osa aga mitte. Kummid saadakse elastomeeride harval
ristseostamisel (vulkaniseerimisel). Vulkaniseerimine likvideerib täielikult elastomeeride ahelate
omavahelise libisemise (plastsuse) ja laiendab elastse oleku piirkonda. Vulkaniseerimise
põhireaktsioon on ristsidumine küllastamata sidemete arvel väävli abil, näit:
– CH 2 – CH = CH – CH 2 – – CH 2 – CH – CH – CH 2 –
| |
+ 2 S → S S
| |
– CH 2 – CH = CH – CH 2 – – CH 2 – CH – CH – CH 2 –
Ristsidemeid saab tekitada ka funktsionaalsete rühmade kaudu, mis on ainuvõimalik küllastatud
elastomeeride korral. Kui ristsidemeid on palju, siis kummi jäigastub – tekib kõvakummi (eboniit),
mis on tõeline termoreaktiiv.
9.4 Polümeeride mehaanilised ja termomehaanilised omadused
Polümeeride mehaanilised omadused on üsna sarnased metallidega, eriti nende käitumine
deformeerimisel. Erinevused on selles, et polümeeridel sõltub deformatsioon jõu rakendamise
kiirusest, samuti temperatuurist ja keskkonnatingimustest (vee, hapniku, orgaaniliste lahustite
juuresolek).
Tüüpilised pinge – deformatsiooni sõltuvused on esitatud joonisel 9-11. A – rabe materjal; B –
plastiline materjal (sarnane metallidega, ainult lõpus pinge kasvab); C – elastne materjal (lai elastse
oleku piirkond). Elastsusmoodul, tõmbetugevus ja venitatavus määratakse polümeeridel samuti,
nagu metallidel. Polümeeride tõmbetugevus võib olla väiksem või suurem kui elastsuspiir.
Polümeeride elastsusmoodul ja tõmbetugevus võivad olla väga väikesed aga ka võrreldavad
metallidega (küllalt suured). Polümeeride venitatavus võib olla väga suur. Mõnede tähtsamate
polümeeride mehaanilised omadused on järgnevas tabelis.
45

Materjal
Elastsusmoodul,
GPa
Tõmbetugevus,
MPa
Elastsuspiir,
MPa
Pikenemine,
%
Polüetüleen (madaltihe) 0,17 – 0,28 8 – 31 9 – 15 100 – 650
Polüetüleen (kõrgtihe) ≈ 1 22 – 31 26 – 33 10 – 1200
Polüvinüülkloriid 2,4 – 4,1 41 – 52 41 – 45 40 – 80
Polütetrafluoretüleen 0,40 – 0,55 21 – 35 – 200 – 400
Polüstürool 2,3 – 3,3 36 – 52 – 1,2 – 2,5
Polümetüül-metakrülaat 2,2 – 3,2 48 – 72 54 – 73 2 – 5,5
Fenool-formaldehüüd 2,8 – 4,8 35 – 62 – 1,5 – 2
Nailon 1,6 – 3,8 76 – 95 45 – 83 15 – 300
Polüester 2,8 – 4,1 48 - 72 59 30 - 300
Temperatuuri mõju polümeeride mehaanilistele omadustele iseloomustab joonis 9-12, kus on toodud
polümetüül-metakrülaadi pinge – deformatsiooni sõltuvused. On näha, et temperatuuridel üle 40
kraadi muutub materjal täiesti plastiliseks.
Amorfsed termoplastid võivad sõltuvalt temperatuurist olla kolmes olekus: klaasitaolises (tahkes),
viskoelastses ja viskoosses (vedelas) olekus. Sulamistemperatuur T m ja klaasistumitemperatuur T g
määratakse nagu klaasidelgi ruumala muutuse alusel sõltuvana temperatuurist. Joonisel 9-13 on
toodud täielikult amorfse (A), osaliselt kristalse (B) ja täielikult kristalse (C) polümeeri sõltuvused.
Osaliselt kristalsel polümeeril esinevad mõlemad temperatuurid. Tavaliselt T g ≈ 2/3 T m , kus T on
Kelvinites.
Mida väiksem on ahelate painduvus ja mida rohkem on ristsidemeid, seda kõrgem on T g . Mida
suurem on molekulmass, seda kõrgemad on mõlemad temperatuurid. Mõnede polümeeride
klaasistumis- ja sulamistemperatuurid on järgmised:
Materjal T g , K T m , K
Polüetüleen (madaltihe) - 110 115
Polütetrafluoretüleen - 97 327
Polüetüleen (kõrgtihe) - 90 137
Nailon 57 265
Polüester 69 265
Polüvinüülkloriid 87 212
Polüstürool 100 240
Allpool klaasistumistemperatuuri on polümeerid veidi elastsed, ülalpool sulamistemperatuuri aga
viskoossed (vedelad). Sulamis- ja klaasistumistemperatuuride vahel on nad aga omapärases olekus,
mis on elastse ja viskoosse oleku vahepealne ning mida nimetatakse viskoelastseks (kummivoolavaks)
olekuks. Deformatsiooni sõltuvus ajast nendes kolmes olekus on esitatud joonisel 9-14.
Joonise a osas on pinge sõltuvus ajast, b, c ja d osas aga deformatsiooni sõltuvus ajast vastavalt
elastses, viskoelastses ja viskoosses materjalis. 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.
9.5 Polümeeride töötlemine ja kasutamine
Polümeere sünteesitakse madalmolekulaarsetest ainetest (monomeeridest) polümerisatsioonireaktsioonide
abil (peamiselt liitumis- ja kondensatsioonpolümerisatsioon).
Peale selle seisneb nende töötlemine lisandite lisamises ja detailideks vormimises.
46

9.5.1 Lisandid polümeermaterjalides
Tooteks vormitakse polümeermaterjali, mis koosneb sideainest (polümeer) ja lisanditest. Lisandid
on ained, mis lisatakse polümeerile pärast sünteesi. Peamisteks lisanditeks on täiteained,
plastifikaatorid, stabilisaatorid, värvained jm.
Täiteaineid lisatakse selleks, et hoida kokku polümeeri ja suurendada tugevust ning termilist
stabiilsust. Täiteained võivad olla nii anorgaanilised kui orgaanilised ained ja neid liigitatakse
osakeste kuju järgi teralisteks ja kiulisteks. Levinumad täiteained on mineraalid (kriit, talk, kaoliin,
kips, liivatolm, vilk), metallipulbrid (Al), puutolm, kummides tahm. Kiulistest materjalidest
kasutatakse puuvilla, paberit, riiet, klaaskiudu, ka teisi polümeere. Sisuliselt on täiteainetega
polümeermaterjalid komposiidid, mida vaatleme järgmises peatükis.
Plastifikaatorid suurendavad polümeeri painduvust ja venitatavust. Nad on madalmolekulaarsed
vedelikud, mis omavad madalat aururõhku. Nende molekulid tungivad ahelate vahele ja
nõrgendavad ahelatevahelisi sidemeid. Nad alandavad ka klaasistumistemperatuuri, mistõttu
paranevad töötlemisomadused. Kõige rohkem plastifitseeritakse polüvinüülkloriidi, mis muidu on
toatemperatuuril rabe.
Stabilisaatoreid lisatakse degradatsiooni vältimiseks töötlemisel ja kasutamisel (vananemisvastase
agendid). Näiteks muudavad mõned polümeerid oma mehaanilisi omadusi ultraviolettkiirguse,
hapniku jm välistegurite mõjul. Selle ärahoidmiseks lisataksegi stabilisaatoreid.
Värvaineid lisatakse dekoratiivsetel eesmärkidel.
9.5.2 Polümeermaterjalide vormimine
Termoplastide korral on enamkasutatavateks meetoditeks ekstrusioon ja survevalu.
Ekstrusioon on meetod, kus sula polümeer surutakse läbi vormiva otsiku konstantse ristlõikega
tooteks (plaat, kile, toru, varras, profiiltooted). Ekstrusioon-puhumisvormimisel surutakse
materjalist ekstrudeeritud toru sulguva vormi poolte vahele ja puhutakse vormi õõnsuse kujuliseks
(kanistrid, mahutid jne).
Survevalu korral surutakse sula polümeer valuvormi ja tahkestatakse vormi õõnsuse kujuliseks
tooteks (joonis 9-15). Võimaldab saada keerulise kujuga tooteid.
Reaktoplastide korral kasutatakse ka survevalu, kui kõvenev polümeer on piisavalt vedel. Rohkem
kasutatakse aga kuumpressimise (pressvormimise) meetodit, kus lähtematerjalist pressitakse detail
kuumutatavas vormis (joon 9-16).
9.5.3 Polümeeride kasutamine
Polümeere kasutatakse järgmisel kujul:
- plastid (kompaktplastid ja kiled);
- kummid ja elastomeerid;
- kiud ja kiudmaterjalid;
- liimid ja sideained;
- pinnakattematerjalid;
- komposiitmaterjalid jm.
47

Plastid. Kõige laialdasem polümeeride kasutusala ongi kompaktplastide sideainena ja
kilematerjalina. Plastides kasutatakse nii termoplastilisi kui termoreaktiivseid polümeere.
Valmistatakse väga erinevaid detaile. Vahtplaste (peamiselt vahtpolüstürool) kasutatakse heli- ja
soojusisolatsiooniks ning pakkematerjalina.
Kile valmistamiseks kasutatakse kõige enam polüetüleeni, aga ka PVC-d ja polüpropüleeni,
looduslikest tselluloosi baasil valmistatud tsellofaani.
Kummide kasutusala on väga lai: autode, mootorrataste, traktorite, jalgrataste jne rehvid,
mitmesugused tihendid, rihmad, jalanõud jne. Mõnede kummide töötemperatuuri piirkonnad on
järgmised:
Elastomeer
Naturaalne kautšuk (isopreenkautšuk)
Akrüülnitriil-butadieenkautšuk
Kloropreenkautšuk
Polüsiloksaankautšuk
Töötemperatuur
- 55 kuni 120 0 C
- 50 kuni 150 0 C
- 50 kuni 105 0 C
- 90 kuni 250 0 C
Eraldi väärib märkimist polüsiloksaanahelaga kautšuk (vt joonis 9-10). Temast saadavat kummit
nimetatakse silikoonkummiks. Tema töötemperatuuri piirkond on tunduvalt laiem kui teistel, ta on
ilmastiku- ja õlikindel.
Sünteetiliste kiudude valmistamiseks saab kasutada polümeere, mida saab tõmmata peenteks
kiududeks. Tähtsamad on polüamiidid (nailon, kapron) ja polüester. Poolsünteetilistest
polümeeridest kasutatakse atsetaat-tselluloosi (atsetaatsiid). Looduslikud polümeersed
kiudmaterjalid on teatavasti puuvill, vill, siid, lina, kanep jt.
Liimideks (adhesiivideks) sobivad paljud polümeerid, kuna neil on hea nakkuvus paljude
materjalidega. Kasutatakse näiteks epoksüüdliime. See koosneb epoksüüdvaigust ja kõvendajast,
millele lisatakse vahel ka plastifikaatorit ning täiteaineid.
Epoksüüdvaigud on vedelad või poolvedelad ained, nende molekuli otstes on epoksü-rühmad:
CH 2 – CH – M – CH – CH 2
\ O / \ O /
Kõvendajatena kasutatakse amiine või hapete anhüdriide. Amiinide abil toimub kõvenemine
toatemperatuuril, anhüdriidide korral tuleb kuumutada üle 100 O C.
Kõvenemisreaktsioon mingi diamiini R <
NH 2
NH 2
korral on järgmine:
CH 2 – CH – M – CH – CH 2 NH 2 NH 2
\ O / \ O / | |
+ R R →
| |
CH 2 – CH – M – CH – CH 2 NH 2 NH 2
\ O / \ O /
48

OH OH
| |
→ CH 2 – CH – M – CH – CH 2
| |
NH
NH
| |
R
R
| |
NH
NH
| |
... – M – CH – CH 2 CH 2 – CH – ...
| |
OH
OH
Kõvenemise käigus katkeb üks hapniku side süsinikuga ja ta liidab endaga vesiniku aatomi amiinorühmast.
Tugevalt polaarsete OH-rühmade tõttu nakkub väga tugevalt metallide ja teiste polaarsete
ainetega.
Polümeerseid kattekihte kasutatakse aluse kaitseks agressiivse keskkonna eest, välimuse
parandamiseks ja ka elektroisolatsiooniks. Väga levinud on näiteks PVC katted (plekk-katused,
vihmaveesüsteemid jne).
10. KOMPOSIITMATERJALID
10.1 Komposiitmaterjalide mõiste ja klassifikatsioon
Kaasaegne tehnoloogia vajab materjale, milledel on ekstreemsed ja samal ajal vastuolulised
omadused: materjal peab olema võimalikult tugev ja kerge, mittekorrodeeruv ja odav jne. Puhtad
materjalid ei rahulda eriti selliseid nõudmisi. Seetõttu on võetud kasutusele mitmete komponentide
segud – komposiitmaterjalid ehk komposiidid.
Komposiidid on kunstlikult valmistatud mitmefaasilised süsteemid. Mitmefaasilised sulamid ja
keraamika siia alla ei kuulu, kuna nad tekivad iseenesest.
Paljudes komposiitides ilmnevad komponentide parimad omadused.
Suurem osa komposiite koosneb kahest faasist. Üks moodustab keskkonna (maatriksi), mis on pidev
ja ümbritseb teist faasi. Teine faas on keskkonnas jaotunud mingite osakestena ja teda nimetatakse
dispergeeritud (peenestatud) faasiks.
Komposiitide omadused sõltuvad komponentide omadustest, nende suhtelisest hulgast ja
dispergeeritud faasi osakeste geomeetriast (so osakeste suurusest, kujust ja orientatsioonist)
49

Dispergeeritud faasi osakeste kuju, suuruse ja paigutuse alusel jaotatakse komposiidid järgmiselt
(joon 10-1):
Osakestega (teradega) Kiududega Kihilised
tugevdatud
tugevdatud
/ \ / \ / \
Suurte Nano- Pikkade Lühikeste Lami- Sandwichosakestega
osakestega kiududega kiududega naarsed tüüpi
/ \
Orientee- Juhusliku
ritud paigutusega
10.2 Osakestega (teradega) tugevdatud komposiidid
Siin on dispergeeritud faasi osakeste mõõtmed enam-vähem ühesugused erinevates suundades.
Suureks loetakse osakesi siis, kui nad on tunduvalt suuremad molekulaarsetest mõõtmetest. Nanoosakeste
korral on nende mõõtmed vahemikus 10 – 100 nm.
10.2.1 Suurte teraliste osakestega komposiidid
Plastid, mis sisaldavad täiteaineid, on tegelikult suurte teraliste osakestega komposiidid. 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 kõigist kolmest materjalist, so metallidest, polümeeridest ja keraamikast.
Kõige sagedamini on keskkonnaks metall või polümeer, keraamikat aga kasutatakse sagedamini
osakestena, mis annavad suurema tugevuse. Selline on metallkeraamika, kus keskkonnaks on metall
ja osakesed keraamilised. Näiteks lisatakse niklile või kroomile WC ja TiC osakesi, mis on äärmiselt
kõvad. Selline metallkeraamika sobib lõikeriistade valmistamiseks terase töötlemisel (treiterad jms).
Vulkaniseeritud kautšukile (kummile) lisatakse tahma. See suurendab tõmbetugevust, sitkust ja
kulumiskindlust. Näiteks autorehvid sisaldavad umbes 15 – 30% tahma (siit ka must värv).
Betoonidest on tuntumad tsementbetoon ja asfaltbetoon. Tsementbetooni optimaalse tugevuse
saavutamiseks peab ta sisaldama kahesuguse suurusega osakesi – väiksemaid (liiv) ja suuremaid
(killustik). Lisandi osakesed võivad täita 60 – 80% betoonist, kuid vee ja tsemendi segu peab
täielikult täitma kõik vahed. Suurema tugevuse saavutamiseks lisatakse betooni armatuur (so
terasvardaid ja traati), saadakse raudbetoon. Eriti tugev on eelpingestatud raudbetoon, kus armatuur
on enne kivistumist tõmbepinge all.
10.2.2 Nanoosakestega komposiidid
Osakeste mõõtmed on makromolekulide ja kolloidosakeste suurusjärgus. Osakeste ja keskkonna
vahelised sidemed on molekulaarsel tasemel. Materjali tugevnemine toimub sama efekti tõttu, nagu
sulamite korral vaadeldud pretsipitaatide tekkimisel: osakesed tekitavad materjali sisse suunatud
jõud ja takistavad dislokatsioonide liikumist.
Nanomõõtmetes dispergeeritud faasi osakeste lisamist kasutatakse mitmete metallide ja sulamite
tugevdamiseks. Lisatavad osakesed on tavaliselt keraamilised, kõige sagedamini oksiidid. Näit
kasutatakse Ni sulameid, mida on tugevdatud umbes 3% ThO 2 nanoosakestega ja Al, millele on
lisatud Al 2 O 3 nanoosakesi.
50

10.3 Kiududega tugevdatud komposiidid
Kõige tähtsamad on just kiududega tugevdatud komposiidid. Nende efektiivsuse iseloomustamiseks
kasutatakse eritugevuse ja erimooduli mõistet, mis on vastavalt tõmbetugevuse suhe tihedusse ja
elastsusmooduli suhe tihedusse.
10.3.1 Kiudude pikkuse, orientatsiooni ja kontsentratsiooni mõju
Kiududega tugevdatud komposiitide mehaanilised omadused sõltuvad mitte ainult kiudude
omadustest, vaid ka rakendatud jõu keskkonnalt kiududele ülekandumise astmest. See omakorda
sõltub sideme tugevusest keskkonna ja kiudude vahel, aga ka kiudude pikkusest. Nagu näha joonisel
10-2 toodud maatriksi deformatsiooni pildist tõmbejõu rakendamisel, ei kandu jõud maatriksilt kiule
üle kiu otstes.
Kiudude pikkuse iseloomustamiseks kasutatakse nn kriitilise pikkuse l kr mõistet, mis sõltub kiudude
diameetrist d, kiudude tõmbetugevusest σ t ja kiu ning keskkonna vahelise sideme tugevusest τ:
σ ⋅d
l = t
kr 2 τ
Tavaliselt l kr = 20 – 150 d. Kui l >> l kr , nimetatakse kiudusid pikaks (pidevaks), vastasel juhul
lühikeseks (katkendlikuks).
Kiud suurendavad tugevust oluliselt siis, kui nad on pikad. Pikad kiud on tavaliselt orienteeritud
paralleelselt. Sellisel juhul on komposiidi omadused piki kiudu tunduvalt erinevad (paremad) kui
risti kiudu. Tõmbetugevus ja elastsusmoodul piki kiudu avalduvad valemitega:
σ Σ = σkkVkk
+ σkiudVkiud
; E Σ = EkkVkk
+ EkiudVkiud
kus V on antud komponendi ruumala osa.
Pinge – deformatsiooni graafik sellisele komposiidile, kui tõmbejõud on suunatud piki kiudu, on
esitatud joonisel 10-4. Teatud komposiitide korral võib tõmbetugevus piki kiudu olla kümneid kordi
suurem kui risti kiudu.
Lühikeste kiudude korral võib orientatsioon olla samuti paralleelne, aga ka juhuslik. Joonisel 10-3
on esitatud pikkade paralleelsete kiududega komposiidi ehitus (a), lühikeste paralleelsete kiududega
(b) ja juhusliku kiudude jaotusega (c) komposiidi ehitus. Kui tahetakse valmistada homogeenset
komposiiti, mille omadused erinevates suundades on ühesugused, kasutatakse lühikeste kiudude
juhuslikku jaotust.
10.3.2 Kiudude materjalid
Kiudude valmistamiseks kasutatakse suure tugevusega materjale. Väga tähtis on kiu läbimõõt. Mida
väiksem see on, seda suurem on komposiidi tugevus. Teiselt poolt on väga peenikesi kiude raskem
valmistada ja nad on kallimad.
Jämeduse alusel jaotatakse kiud järgmiselt: udemed, kiud ja traat.
Udemed on väga peenikesed monokristallid. Kuna nad on väikesed, siis on nad praktiliselt ilma
dislokatsioonideta ja seetõttu väga tugevad – kõige tugevamad tuntud materjalidest. Siiski ei
kasutata udemeid komposiitides väga laialdaselt, kuna nad on väga kallid ja nende sisseviimine
maatriksisse on keeruline. Peamised udemete valmistamise materjalid on grafiit, SiC ja Al 2 O 3 . Neist
suurim eritugevus on grafiitudemetel – 9,1 GPa.
51

Kiumaterjalina kasutatakse kõige rohkem klaasi, mis on odav, tugev (eritugevus on 1,4 GPa) ja
tehnoloogiline (kerge valmistada kiudu ja komposiiti). Klaaskiuga komposiite kasutatakse väga
palju transpordis (igasugused konteinerid, auto-, paadi- ja laevakered).
Suurema tugevusega (eritugevus kuni 2,7 GPa) on süsinikkiud. Ei nimetata grafiidiks, kuna sisaldab
peale grafiidi ka amorfseid osi. Süsinikkiududega komposiite kasutatakse väga palju sporditarvete
valmistamiseks (suusad, suusakepid, õngeridvad, golfikepid jne) ja lennukiehituses.
Eriti suure eritugevusega on aramiidkiud (eritugevus kuni 2,8 GPa). Materjali keemiline nimetus on
polü-parafenüleen-tereftaalamiid. Ahela skeem on esitatud joonisel 10-6. Iga lüli sisaldab kaks
benseenituuma, mis on ahelaks ühendatud süsiniku ja lämmastiku aatomite kaudu, millel on side ka
vastavalt O ja H aatomitega. Nende hapniku ja vesiniku aatomite vahel naaberahelates tekivad
vesiniksidemed, mis võivad tekkida ka keskkonna materjaliga. Aramiidi tõmbetugevus on tunduvalt
suurem, kui teistel polümeeridel, survetugevus aga väike. Kuigi ta on termoplastiline, on tema
töötemperatuuri piirkond üsna lai: -200 – 200 o C. Aramiidkiuga komposiite kasutatakse näiteks
kuulivestides, samuti spordivahendites.
Kasutatakse ka SiC kiude ja hübriidseid komposiite, kus on kahest või enamast erinevast materjalist
kiudusid. Enamlevinud on klaaskiu ja süsinikkiu kombinatsioonid.
Traadina kasutatakse tugevat terast (eritugevus kuni 0,3 GPa), Mo ja W.
Erinevate kiumaterjalide tihedused ja tõmbetugevused on toodud joonisel 10-5.
10.3.3 Keskkonna materjalid
Keskkonna materjali ülesanne on siduda omavahel kiudusid ja kanda neile üle mehaanilist pinget.
Ise võtavad nad vastu ainult väikese osa pingest. Peale selle kaitseb keskkond kiudusid kulumise ja
väliskeskkonna mõjude eest. Keskkonna materjali valikul on tähtis tugev nakkumine kiududega.
Keskkonna materjalidena kasutatakse peamiselt polümeere ja metalle, kuna keskkond peab omama
venitatavust, st keskkonna elastsusmoodul peab olema tunduvalt väiksem kui kiududel. Keskkonna
materjal määrab ära ka komposiidi kasutamise temperatuuri. Polümeerse keskkonna korral on see
kuni 200 o C, metallide korral tunduvalt kõrgem.
Polümeeridest kasutatakse väga palju polüestreid. Kuna siin on võimalikud erinevad vaikude
koostised, siis on palju erinevate omadustega keskkonnamaterjale. Teiseks enamkasutatavaks
materjaliks on epoksüüdvaigud, mis on odavamad. Epoksüüdvaikudest saadakse polümeer
polükondensatsiooni teel hapete või alustega (kõvendajad, näiteks epoksüüdliimis). Nad on väga
nakkuvad teiste materjalidega (eriti metallide, klaasi ja polaarsete ainetega), kuna sisaldavad ahelais
polaarseid –OH rühmi. Tabelis (joon 10-7) on toodud mõned epoksüüd-keskkonnaga komposiitide
omadused.
Metallidest kasutatakse keskkonna materjalidena kergeid metalle ja nende sulameid: Al, Mg, Ti.
Nende töötemperatuur tunduvalt kõrgem, eriti Ti keskkonnaga. Tugevusomadused ka mõnedel
suuremad, kui polümeerse keskkonnaga (tabel joonisel 10-8). Kasutatakse automootorites,
kosmosetehnikas. Eriti kõrge töötemperatuuriga on supersulamite (Ni ja Co baasil) keskkonnaga,
milles kiududeks on peenikesed volframtraadid. Kasutatakse turbiinides.
Omapärase keskkonnamaterjalina kasutatakse ka süsinikku. Nimelt valmistatakse komposiite, kus
nii kiudude kui ka keskkonna materjaliks on süsinik. Valmistamine toimub nii, et süsinikkiud
valatakse üle polümeeriga, töödeldakse detailiks ja allutatakse siis pürolüüsile. Pürolüüsi käigus
52

laguneb polümeer süsinikuks ja gaasilisteks aineteks, mis eemalduvad. Valmistamine on keeruline ja
kallis, seetõttu kasutamine esialgu piiratud. Töötemperatuur väga kõrge – üle 2000 o C.
Valmistatakse näiteks vormelautode piduriklotsid, mis kuumenevad valge hõõgumiseni.
10.3.4 Kiududega tugevdatud komposiitide valmistamine
Vaatleme mõningaid uuemaid kiududega tugevdatud komposiitide valmistamise viise polümeerse
keskkonnaga.
Tõmbamismeetodiga saab valmistada materjale, mis on pidevad ja ühtlase ristlõikega (vardad, torud
jne) (joon 10.9). Kiudude kimp tõmmatakse läbi immutusvanni, kus toimub immutamine
termoreaktiivse vaiguga. Edasi läbib kimp terasest vormi, mis annab vajaliku ristlõike ja eemaldab
liigse vaigu. Järgneb kuumutusvorm, mis määrab lõpliku ristlõike ja kus toimub vaigu
polümerisatsioon.
Kuumpressimine kileliste materjalide saamiseks on kujutatud joonisel 10-10. Kiud koos
termoreaktiivse vaiguga pressitakse kalandrite (kuumutatav rull) ja kahe paberikihi vahel. Üks paber
jääb materjali kandekihiks, teine eemaldatakse. Kuumutustemperatuur on suhteliselt madal, nii et
polümerisatsioon toimub ainult osaliselt. Saadavad lindid (paksusega tavaliselt 0,08 - 0,25 mm ja
laiusega 25 – 1500 mm) keritakse rulli ja nad säilivad madalal temperatuuril (0 o C juures) kuid.
Lõplike detailide (näiteks laminaatide) saamiseks eemaldatakse aluspaber ja lindid kantakse
vajadusel mitmes kihis alusele kuumpressimise teel.
Kerimise meetodit kasutatakse silindrilise kujuga detailide valmistamiseks (joon 10-11). Vaiguga
immutatud kiud keritakse alusele mitmes kihis, kusjuures saab kasutada erinevaid kerimise viise,
sõltuvalt saadava detaili tugevuse vajadustest. Esimesel juhul saadakse universaalse tugevusega,
teisel juhul ristsuunalise tugevusega ja kolmandal juhul pikisuunalise tugevusega detail. Pärast
kerimist toimub kuumutamine ja eemaldamine alusest.
10.4 Kihilised komposiidid
Kihilised komposiidid koosnevad erinevate materjalide kihtidest, mis omakorda võivad olla
komposiidid.
Üks võimalus on tasapinnalised (laminaarsed) kihilised komposiidid. Seal asetatakse kohakuti kihid,
millel on suurim tugevus erinevas suunas (joon 10-12). Sellisteks kihtideks võivad olla puidust,
paberist või mingist muust kiudainest kihid. Näiteks vineer. Kihid ühendatakse liimi või mingi
polümeerse sideaine abil.
Näited:
- getinaks saadakse fenool-formaldehüüdvaiguga immutatud paberikihtide kuumpressimisel;
- tekstoliit on sama, ainult paberi asemel on puuvillane riie;
- klaastekstoliit saadakse epoksüüdvaiguga immutatud klaasriide kuumpressimise teel.
Kõiki neid kasutatakse trükiskeemide alusmaterjalina, tekstoliiti ka näiteks hammasrataste
valmistamiseks. Klaastekstoliidil on väga suur (suurem kui terasel) hõõrdetugevus.
Teine võimalus on nn sandwich-tüüpi paneelid. Need koosnevad kahest tugevast materjalist lehest,
millede vahel asub mingi väikese tiheduse ja tugevusega materjali kiht. Väliskihid on tavaliselt
õhukesed metall-lehed või kiududega tugevdatud plastikud. Keskmine kiht võib olla näiteks
vahtplast, kummi, tsement, puit. Kasutatakse ka meekärje kujulisi metallist struktuure (joon 10-13).
Sellise struktuuriga on mitmed ehitusmaterjalid ja ka lennukikered.
53

10.5 Puit
Puit on sisuliselt looduslik komposiit, mis koosneb tselluloosi kiududest, mida tugevdavad
polümeerne ligniin ja mõned teised orgaanilised ühendid.
Puidu rakud on pikad torujad moodustised (joon 10-14). Kevadel kasvava puidu raku seinad on
õhemad, suvel kasvaval paksemad. Raku sein koosneb esialgsest kihist ja sekundaarsetest kihtidest,
mis kasvavad radiaalsuunas pärast raku üldmõõtmete saavutamist (joon 10-15).
Raku seinad koosnevad peamiselt tselluloosist (kuni 50% puidu tahkest massist). Tselluloos on
looduslik polümeer, mille ahel on kujutatud joonisel 10-16. Tselluloosi lineaarne ahel koosneb
glükoosi lülidest, mis korduvad 5000 – 10000 korda. Tugev kovalentne side glükoosi lülide sees ja
vahel tingib sirged ja tugevad ahelad. Ahelate vahel on peamiseks sidemeks vesinikside. Ahelate
kimbud moodustavad mikrokiud, mida seob omavahel ligniin.
11. MATERJALIDE ELEKTRILISED OMADUSED
11.1 Elektrijuhtivus. Laengukandjad
Materjalide elektrijuhtivus on tingitud laetud osakeste – laengukandjate – liikumisest välises
elektriväljas.
Suuremas osas materjalides on peamisteks laengukandjateks elektronid – neid materjale nimetatakse
elektronjuhtideks. Ioonilise sidemega tahketes ainetes võivad laengukandjateks olla ka ioonid. Need
ained on tavaliselt segajuhtivusega. Elektrolüütide lahustes ja ioniseeritud gaasides on
laengukandjateks ainult ioonid – need ained on ioonjuhid.
Materjali elektritakistus R avaldub:
l
R = ρ⋅ , Ω
(11.1)
S
kus ρ – eritakistus, Ωm
l – juhi pikkus, m
S – juhi ristlõike pindala, m 2
Erijuhtivus σ on eritakistuse pöördväärtus:
1 1 S
σ = , või
ρ Ω ⋅ m m
kus S on Siemens (1/Ω)
Elektrijuhtidel σ ≈ 10 7 S/m
Isolaatoritel σ = 10 -18 – 10 -8 S/m
Pooljuhtidel σ = 10 -4 – 10 6 S/m
Tahkete materjalide elektrijuhtivuse (S/cm) diapasoonid on toodud joonisel 11-20.
11.2 Tahkete ainete tsooniteooria alused
11.2.1 Energiatsoonide ehitus
Vastavalt kvantmehaanilisele teooriale omavad elektronid isoleeritud aatomites ainult kindlaid
(diskreetseid) energiaväärtusi (asuvad energiateljel kindlatel energianivoodel). Aatomite
54

lähenemisel üksteisele (kristallis) toimub aatomite vastasmõju tulemusena väliskihtide elektronide
energianivoode lõhustumine peaaegu pidevateks elektronide energiaribadeks (tsoonideks). Igas
tsoonis on N lähedase energiaga nivood (olekut), kus N on aatomite arv kristallis. Joonisel 11-1 on
näidatud 12 aatomist koosneva kogumi 1s ja 2s elektronide nivoode lõhustumine aatomite
lähenemisel elektronide energiatsoonideks, kus on 12 nivood. Igal nivool võib olla 2 elektroni
(vastupidise spinniga), seega kokku 2N elektroni. Iga tsoon sisaldab vaid elektrone, mis vastavad
isoleeritud aatomi vastavale nivoole.
Energiatsoonide ehitus kristallis aatomite tasakaalulise vahekauguse korral on näidatud joonisel 11-
2. Osa energiatsoone võivad olla tühjad või ainult osaliselt täidetud elektronidega. Tahkete
materjalide elektrilised omadused sõltuvad energiatsoonide ehitusest ja nende täitumisest
elektronidega.
Tsooni, mis tekib kõige suurema energiaga elektronidest (valentselektronidest) nimetatakse
valentstsooniks. Järgmine suuremate lubatud energiatega tsoon on juhtivustsoon. Nende vahel asub
keelatud energiate tsoon – keelutsoon.
Energiatsoonide ehituseks on neli võimalust (joonisel 11-3 on esitatud tsoonid 0 K juures):
1) Valentstsoon on osaliselt tühi (joon 11-3a). Kõrgeimat nivood, mis 0 K juures on elektronidega
täidetud, nimetatakse Fermi nivooks. Temale vastab energia E f . Selline tsoonide ehitus on omane
metallidele, mille väliskihis on üks s elektron (näiteks Cu, millel on väliskihis 4s 1 elektron).
Valentstsoonis võib olla 2N elektroni, on aga ainult N elektroni. Sellise tsoonidiagrammiga ained on
elektrijuhid.
2) Valentstsoon on täis, kuid kattub osaliselt juhtivustsooniga (11-3b). Näiteks Mg, tal on väliskihis
3s 2 elektroni, seega valentstsoonis 2N elektroni ja valentstsoon on täis. Kuid see 3s elektronide
tsoon kattub osaliselt 3p elektronide tsooniga. Ka sellise tsoonidiagrammiga ained on juhid.
3) Valentstsoon on täis ja ei kattu juhtivustsooniga, keelutsoon on lai (11-3c). Selline materjal
dielektrik (isolaator).
4) sama, keelutsoon on kitsam (11-3d). Materjal on pooljuht. Fermi nivoo asub keelutsooni keskel.
11.2.2 Materjalide juhtivus
Elektriväljas saavad liikuda (ja tekitada juhtivuse) ainult need elektronid, mille energia ületab Fermi
nivoo energia. Neid elektrone nimetatakse vabadeks. Seega elektroni vabastamiseks tuleb ta viia
Fermi nivoost kõrgemale tühjale nivoole (anda energiat juurde).
Elektrijuhtides (metallides) on selleks vaja juurde anda tühine energia, kuna nivood asuvad väga
lähedal (olekute energia on lähedane). Selline olukord on näidatud joonisel 11-4. Juba elektrivälja
enda energiast piisab, et vabastada väga suur hulk elektrone.
Isolaatorites ja pooljuhtides puuduvad täidetud valentstsoonile lähedased elektronidele lubatud
tühjad nivood. Elektroni vabastamiseks on vaja ta viia valentstsoonist juhtivustsooni, st anda juurde
energia, mis vastab keelutsooni laiusele E g (joon 11-5). Elektrivälja energiast selleks ei piisa.
Elektrone on võimalik ergastada juhtivustsooni, st vabastada, soojusenergia ja kiirgusenergia abil.
Seega temperatuuri tõusuga suureneb ka vabade elektronide kontsentratsioon.
11.3 Elektronide liikuvus
Elektriväli kiirendab vabu elektrone. Vool läbi materjali suureneb ajas, kuid saavutab peagi
konstantse väärtuse, mis on määratus materjali takistusega. See on tingitud sellest, et elektronid
põrkuvad oma kiireneval liikumisel aatomite ja kristallvõre defektidega, mille tõttu kalduvad
55

sirgjoonelisest liikumisest kõrvale. Teiste sõnadega: aatomid, ioonid ja defektid hajutavad elektrone,
mille tõttu elektronide liikumistee on kaootiline (joon 11-6).
Elektronide liikumiskiirust elektriväljas (elektriväljale vastupidises suunas) iseloomustatakse
liikuvusega μ n :
v
μ n = , kus v – liikumiskiirus (m/s); E – elektrivälja tugevus (V/m).
E
Seega liikuvus on liikumiskiirus ühikulises väljas 1 V/m.
Indeksit n kasutatakse elektronide korral seetõttu, et elektronide kontsentratsiooni tähistatakse
tähega n ja elektronide poolt pingitud juhtivust nimetatakse ka n-tüüpi juhtivuseks.
11.4 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: σ = n ⋅μe ⋅ e , kus e on elektroni laeng (1,6·10 -19 C).
Suurima juhtivusega metallid on hõbe ja vask, nende erijuhtivused on:
Ag
6,8·10 7 S/m
Cu
6,0·10 7 S/m
Need on puhaste metallide erijuhtivused. Lisandid ja defektid suurendavad elektronide hajutamist,
vähendavad liikuvust ja seega ka erijuhtivust. Mõnede metallide ja sulamite erijuhtivused on toodud
tabelis (joon 11-7).
Metallide korral kasutatakse juhtivuse iseloomustamiseks rohkem eritakistust. Eritakistust seega
lisandid ja defektid suurendavad. Metalli summaarne eritakistus avaldub võrrandiga:
ρ Σ = ρt
+ ρl
+ ρd
kus ρ t – oma-eritakistus;
ρ l – lisandite poolt tingitud eritakistus;
ρ d – defektide (deformatsiooni) poolt tingitud eritakistus.
Kui lisand moodustab tahke lahuse, siis
ρ l = A ⋅ Xi(1
− Xi)
kus A – konstant, mis sõltub metallist ja lisandist;
X i – lisandi moolimurd tahkes lahuses.
Kui sulam koosneb tahkete lahuste α ja β segust, siis;
ρl
= ραVα
+ ρβVβ
, kus V tähistab vastava faasi ruumalaosa.
Eritakistuse sõltuvus temperatuurist.
Temperatuuri tõusul elektronide liikuvus väheneb, kuna hajutamine aatomite poolt suureneb. Samal
ajal elektronide kontsentratsioon ei muutu, seega eritakistus kasvab. Eritakistuse sõltuvus
temperatuurist puhta ja lisanditega vase kohta on toodud joonisel 11-8. Lineaarses osas on sõltuvus
avaldatav kujul:
ρt
= ρ0 (1 + αρ ⋅ T) , kus ρ 0 ja α ρ on antud metalli korral konstandid.
α ρ on eritakistuse temperatuuritegur. Sõltuvus on avaldatav ka järgmiselt:
ρt
= ρ o (1 + α ⋅To
)
0 C ρ (11.1)
C
Metallide korral on α ρ > 0, ligikaudu võrdub α ρ 1/273.
56

Joonisel 11-9 on esitatud mitmete metallide eritakistuste sõltuvused temperatuurist. Sõltuvused on
lineaarsed, kui esineb kristallmodifikatsiooni muutus, siis muutub eritakistus hüppeliselt.
Joonisel 11-10 on toodud vase eritakistuse sõltuvus erinevate lisandite kontsentratsioonist.
Sõltuvused on lineaarsed, kusjuures erinevad lisandid suurendavad eritakistust väga erinevalt. Vase
puhul mõjutavad eritakistust kõige rohkem P ja Fe.
11.5 Ülijuhtivus
Suuremal osal ülipuhastel metallidel väheneb eritakistus temperatuuri lähenemisel 0 K-le mingile
väikesele väärtusele ρ 0 (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.
Viimastel aastatel on otsitud intensiivselt nn kõrgtemperatuurseid ülijuhte, kus ülijuhtivus tekiks
juba toatemperatuuril või veidi madalamal. Mitmetes keraamilistes materjalides on jõutud
temperatuurini umbes 150 K. Seega tekib neis ülijuhtivus vedela lämmastiku temperatuurist (77 K)
kõrgemal, mistõttu nende jahutamine ülijuhtivuse saavutamise temperatuurini on suhteliselt odav.
Nende materjalide puuduseks on aga see, et nad on väga rabedad ja seetõttu nende kasutamine
juhtidena on keeruline (ei saa tõmmata traati jne).
Ülijuhtivad materjalid on äärmiselt perspektiivsed elektrienergia ülekandmisel, neid kasutatakse
ülijuhtivates magnetites suure energiaga osakeste kiirendamisel, projekteeritavas termotuumaelektrijaamas
jne.
11.6 Pooljuhtmaterjalid
Pooljuhtmaterjalide kõige iseloomulikum omadus on, et nende juhtivus sõltub väga tugevalt
lisanditest, ka väga väikeses kontsentratsioonis.
Pooljuhtide korral tehakse vahet omapooljuhtide (juhtivuse määrab materjali enda elektronstruktuur)
ja lisandpooljuhtide (juhtivuse määravad lisandid) vahel.
Omajuhtivusega pooljuhi tsoonidiagramm 0 K juures oli toodud joonisel 11-5. Valentstsoon on
täidetud elektronidega, juhtivustsoon on tühi. Nende vahele jääb suhteliselt kitsas keelutsoon
laiusega ≤ 2 eV. Enamkasutatavate pooljuhtmaterjalide keelutsooni laiused on:
Si 1,1 eV
Ge 0,7 eV
GaAs 1,4 eV
Elementaarsed pooljuhid (Si, Ge) omavad teemandi kristallvõret, mille KA=4.
Pooljuhtmaterjalide paiknemine elementide perioodilises süsteemis on esitatud joonisel 11-17.
Pooljuhtideks on IVA rühma elemendid Si, Ge ja üks Sn modifikatsioon. Ühendpooljuhtideks on
IIIA ja VA rühma elementidest moodustunud ühendid ning IIA ja VIA rühma elementidest
moodustunud ühendid.
57

Pooljuhtmaterjalides on tegelikult kaht tüüpi laengukandjaid: elektronid ja augud. Nagu näidatud
joonisel 11-5 b, jääb valentstsooni – pärast elektroni üleminekut juhtivustsooni – tühi energianivoo
ehk vaba auk. Augu mõiste selgitamiseks vaatleme skeemi joonisel 11-11. 0 K juures võtavad iga Si
aatomi kõik neli valentselektroni osa kovalentse sideme moodustamisest teiste Si aatomitega. Igas
sidemes on kaks elektroni, nende elektronide energia vastab valentstooni energiale. Elektroni
vabanemine (energeetiliselt tema üleminek valentstsoonist juhtivustsooni) tähendab tema lahkumist
sidemest. Sidemesse jääb puuduva elektroni koht, mis ongi auk. See auk on vaba, st ta saab liikuda
kristallis, hüpates ühest sidemest teise (tegelikult toimub muidugi seotud elektroni hüppamine
vastupidises suunas). Augud kui laengukandjad omavad elektronidega võrdset, kuid vastupidist
laengut +1,6·10 -19 C ja nad liiguvad elektrivälja suunas. Aukude kontsentratsiooni tähistatakse
tähega p ja aukude poolt tingitud juhtivust nimetatakse ka p-tüüpi juhtivuseks.
11.6.1 Omajuhtivus
Omajuhtivusega pooljuhi erijuhtivus σ võrdub elektronide ja aukude poolt tingitud juhtivuste σ n ja
σ p summaga:
σ = σn
+ σp
= n ⋅μn
⋅ e + p ⋅μp
⋅ e ,
kus μ p – aukude liikuvus.
Kuna omajuhtivusega pooljuhis alati n = p , siis:
σ = n ⋅ e ( μn
+ μp)
(11.2)
Elektronide ja aukude kontsentratsiooni korrutis pooljuhis on alati konstantne suurus, mis sõltub
ainult temperatuurist:
1
n ⋅ p = const = Ki = f ( )
T
(11.3)
n = p = (K 1 2
i )
(11.4)
ln n
1
= ln p ∝
(11.5)
T
K i ning seega ka n ja p sõltuvad pöördtemperatuurist (1/T) eksponentsiaalselt.
Logaritmilises skaalas sõltuvad n ja p pöördtemperatuurist (1/T) lineaarselt.
11.6.2 Lisandjuhtivus
Vaatleme juhust, kus räni kristalli on viidud VA rühma elemendi fosfori P aatom, millel on viis
valentselektroni (joon 11-12). See lisa viies elektron ei võta osa sideme moodustamisest ja on seotud
fosfori aatomiga suhteliselt nõrgalt. Tema vabastamiseks kulub tunduvalt vähem energiat, kui
sidemes olevate elektronide vabastamiseks. Tähistame seda viienda elektroni vabastamise energiat
E d . Selliseid lisandeid, mis annavad kergesti vabu elektrone, nimetatakse elektronide doonoriteks.
Tsoonidiagrammil (joon 11-13) tekitavad doonorlisandid lubatud nivoo keelutsoonis, mille kaugus
juhtivustsooni põhjast ongi E d . Kui doonor annab viienda elektroni ära, läheb see juhtivustsooni,
doonornivoole jääb aga seotud (liikumatu) positiivne laeng – see on fosfori ioon (mitte auk).
58

Joonisel on näidatud ka, millised 5A rühma elemendid käituvad doonorina IVA rühma
pooljuhtmaterjalides.
Doonorlisandi (antud juhul fosfori) kontsentratsiooni tähistatakse N d . Kui peaaegu kõik
doonorlisandi aatomid on ioniseeritud, siis:
n ≈ Nd >> p ;
σ ≈ σn
= n ⋅μn
⋅ e
(11.6)
Lisandjuhtivuse piirkonnas on elektronide kontsentratsioon püsiv ja juhtivuse temperatuursõltuvuse
määrab liikuvuse sõltuvus temperatuurist. Ka pooljuhtides laengukandjate liikuvus temperatuuri
tõusul väheneb, kuna hajutamine suureneb.
Kui viia Si kristalli IIIA rühma elemendi (näiteks boori B) aatom, siis ei jätku ühte sidemesse ühte
elektroni (joon 11-14). Elektroni puudumine sidemes on aga auk. Need augud võivad kergesti saada
vabaks, kui nad saavad juurde energia E a . Vastav tsoonidiagramm on toodud joonisel 11-15.
Diagrammilt on näha, et boori aatom tekitab lubatud, kuid tühja energianivoo keelutsoonis kaugusel
E a valentstsooni laest. Sinna võib energia E a juurdesaamisel minna elektron valentstsoonist ja seega
tekib vaba auk. Selliseid lisandeid nimetatakse elektronide aktseptoriteks. Elektroni ülemineku tõttu
tekib aktseptori nivool liikumatu negatiivse laenguga ioon (boori ioon). Kui peaaegu kõik
aktseptorlisandi aatomid on ioniseeritud, siis:
p ≈ Na >> n , kus N a – aktseptorlisandi kontsentratsioon
σ ≈ σp
= p ⋅μp
⋅ e
(11.7)
11.7 Dielektrikud
Dielektrikute (isolaatorite) kõige iseloomulikum omadus on nende polariseerumine välises
elektriväljas. Polarisatsioon – see on laengute nihkumine dielektriku sees nii, et tekib sisemine
elektriväli, mis on suunatud vastupidi välisele väljale.
Polarisatsiooni iseloomustab joonis 11-18. Kondensaatori mahtuvus avaldub
Q
C = (11.8)
U
kus Q on laeng kondensaatori plaadil.
Kui kondensaatori plaatide vahel on dielektrik, avaldub mahtuvus valemiga:
S
C = ε ⋅
(11.9)
l
kus S – plaadi (ja dielektriku) pindala;
l – dielektriku paksus;
ε – võrdetegur, mida nimetatakse dielektriliseks läbitavuseks.
Mida suurem on dielektriline läbitavus, seda suurem on kondensaatori mahtuvus.
Kasutatakse ka suhtelise dielektrilise läbitavuse mõistet ε r :
ε C
ε r = = ,
ε0
C0
kus C 0 – kondensaatori mahtuvus, kui plaatide vahel on tühjus (vaakum);
ε 0 – vaakumi dielektriline läbitavus (8,85·10 -12 F/m)
59

Peamised polarisatsiooni liigid (laengute nihkumise liigid) on järgmised (joon 11-19):
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 U l , so pinge, mille juures
materjal kaotab oma isoleerivad omadused.
Polümeeridest on paremad elektriisolatsiooniomadused mittepolaarsetel ja vähepolaarsetel:
polüetüleenil, polüstüroolil ja teflonil. Nende ruumieritakistus ρ V on 10 14 – 10 16 Ωm, ε on 2 – 2,5, U l
on 20 – 40 kV/mm, kuumakindlus kuni 100 o C, teflonil kuni 300 o C.
Polaarsetest lineaarsetest polümeeridest kasutatakse polüvinüülkloriidi (PVC), orgaanilist klaasi
(polümetüülmetakrülaat), lavsaani, polüamiide (kapron, nailon) ja polüuretaani. 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 K 2 O · 3Al 2 O 3 · 6SiO 2 · 2H 2 O
- flogopiit K 2 O · 6MgO · Al 2 O 3 · 6SiO 2 · 2H 2 O
Muskoviit on läbipaistev aine ja üldse üks paremaid elektriisolatsioonimaterjale. Eriti suur on tema
läbilöögipinge (100 kV/mm) ja kuumakindlus (600 O C). Need andmed on vilgul risti kihtidega.
Isolatsioonimaterjalidena kasutatakse veel anorgaanilisi klaase ja eriti keraamilisi materjale.
Konkreetsetest materjalidest võib nimetada tavalist isolaatoriportselani, mille põhikomponent on
kristalne aine mulliit 3Al 2 O 3·2SiO 2 . Mulliit saadakse kaoliini ja korundi (Al 2 O 3 ) kooskuumutamisel.
60

12. MATERJALIDE OPTILISED OMADUSED
12.1 Elektromagnetiline kiirgus
Elektromagnetiline kiirgus koosneb γ-kiirgusest (algab lainepikkusel λ = 10 -14 m), röntgen-,
ultraviolett-, nähtavast ja infrapunasest kiirgusest, aga ka mikro- ja raadiolainetest (lõpevad
lainepikkusel 10 4 m). Nende kiirguste energia, sagedus ja lainepikkus on toodud joonisel 12-1.
Nähtav valgus moodustab sellest ainult väga väikese osa 0,4 – 0,77 μm (400 – 770 nm).
Valge valgus sisaldab kogu nähtava valguse spektrit.
Valgus omab nii lainelisi kui ka korpuskulaarseid (osakestega seotud) omadusi. Valgus kui laine
liigub vaakumis kiirusega c = 3·10 8 m/s (300000 km/s). See kiirus on määratud vaakumi dielektrilise
läbitavusega ε 0 ja magnetilise läbitavusega μ 0 :
1
c =
ε0μ0
Valguse kiirus, lainepikkus ja sagedus on seotud võrrandiga
c = λ ⋅ ν
Valguse korpuskulaarsed omadused avalduvad selles, et teda võib vaadelda ka koosnevana
osakestest (footonitest), mille energia E avaldub:
h ⋅ c
E = h ⋅ν =
λ
12.2 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. Seega võime kirjutada:
I 0 = Il
+ In
+ Ip
kus I 0 – pealelangeva valguse intensiivsus;
I l – läbinud valguse intensiivsus;
I n – neeldunud valguse intensiivsus;
I p – peegeldunud valguse intensiivsus.
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.
12.3 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.
61

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 pikemalainelist valgust, mistõttu nad on
kollase värvusega (kuld) või punakas-oranži värvusega (vask).
12.4 Mittemetallide optilised omadused
Kui läbipaistvale materjalile langeb valgus, toimub peale peegeldumise ja neeldumise ka
murdumine ja läbiminek.
12.4.1 Valguse murdumine
Kui footon siseneb läbipaistvasse materjali, kaotab ta osa oma energiast, tema kiirus väheneb ja ta
kaldub kõrvale sirgjoonelisest liikumissuunast. Valguse kiirust v materjalis iseloomustab
murdumisnäitaja n:
c
n =
v
Vaakumi n = 1, klaasi n = 1,5 – 1,9.
Valguse kiirus materjalis avaldub samasuguse võrrandiga nagu vaakumis:
1
v =
ε ⋅μ
kus ε ja μ on materjali dielektriline läbitavus ja magnetiline läbitavus.
Murdumisnäitaja avaldub:
c ε ⋅μ
n = = = εr
⋅μr
v ε0
⋅μ0
kus ε r ja μ r on suhtelised läbitavused.
Mittemagnetmaterjalide korral μ r ≈ 1 ja n ≅ εr
Kahe keskkonna murdumisnäitajad n ja n’ on seotud Snelli võrrandiga:
n sin Φ
= r
n' sin Φi
kus Φ r – murdumisnurk;
Φ i – langemisnurk.
Vastav skeem on toodud joonisel 12-3.
Kui valguskiir läheb suurema murdumisnäitajaga keskkonnast väiksema murdumisnäitajaga
keskkonda, siis võib toimuda valguse täielik sisepeegeldumine (joon 12-4). Kiire 1 murdumisnurk
on 90 o , sellele vastavat langemisnurka Φ c nimetatakse sisepeegeldumise kriitiliseks nurgaks. Kui
langemisnurk Φ 2 > Φ c , toimub täielik sisepeegeldumine (kiir 2).
62

12.4.2 Valguse peegeldumine
Pinna peegeldumisvõime (peegeldumistegur) R avaldub:
I
R = R
ja IR
= I0
⋅ R
I0
kus I 0 ja I R on pealelangeva ja peegeldunud valguse intensiivsused.
Kui valgus langeb õhukeskkonnast läbipaistva materjali pinnale risti, siis on peegeldumistegur
seotud murdumisnäitajaga n järgmise võrrandiga:
2
⎛ n −1⎞
R = ⎜ ⎟
⎝ n + 1 ⎠
Mida suurem on n, seda suurem on ka R.
12.4.3 Valguse neeldumine ja läbiminek
Läbipaistvas materjalis mitteneeldunud (läbi läinud) valguse intensiivsus I avaldub võrrandiga:
−α⋅l
I
I = I
0
0 ⋅ e =
α⋅l
e
Mida väiksemad on α ja l, seda rohkem valgust läbib materjali.
Vaatleme lõpuks, kui palju langenud valgusest läbib materjali, kui esinevad neeldumine ja
peegeldumine (joon 12-5).
Materjalile langeb valgus intensiivsusega I 0
Esimeselt pinnalt peegeldub: RI 0
Materjali siseneb: I 0 – RI 0 = (1 – R)I 0
Materjali läbib:
(1 – R)I 0·e -αl
Teiselt pinnalt peegeldub: R(1 – R)I 0·e -αl
Materjalist väljub:
−αl
−αl
−αl
2 −αl
(1 − R)I0 ⋅e
− R(1 − R)I0
⋅ e = (1 − R)I0
⋅ e (1 − R) = (1 − R) I0
⋅ e
12.4.4 Materjali värvus
Valguse neeldumistegur läbipaistvas materjalis sõltub valguse lainepikkusest. Joonisel 12-7 on
toodud peegeldunud, neeldunud ja läbinud valguse osakaal rohelises klaasis. Näeme, et kõige
rohkem neeldub roheline valgus, läbib aga sinine ja kollakas-oranž. Viimased annavadki kokku
rohelise värvuse. Kui materjal neelab kõiki lainepikkusi ühtlaselt, siis on ta värvitu, nagu näiteks
ülipuhas klaas, ülipuhas monokristalne teemant ja safiir (Al 2 O 3 ).
Dielektrikutes tekib neeldumine ja sellele järgnev kiirgamine juhul, kui on sisse viidud lisandeid,
mis tekitavad lubatud energiaga nivoosid keelutsoonis. Näiteks kui viia safiiri Cr 3+ ioone, siis
omandab ta punase värvuse ja saame rubiini. Joonisel 12-8 on toodud rubiini neeldumisspekter.
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
63

samadel lainepikkustel, kus läbibki. Seega peegeldunud valguses on värvus sama, kuid see ei ole
alati nii. Küljelt vaadatuna määrab värvuse hajunud valgus, mis on tavaliselt sama lainepikkusega
kui läbinud valgus, kuid mitte alati.
12.5 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).
12.6 Optiliste omaduste kasutamine
Materjalide optilisi omadusi kasutatakse kõige rohkem pooljuhtmaterjalide korral. Näiteks
valmistatakse igasuguseid valgustundlikke andureid, mis on tundlikud erinevas spektri piirkonnas
infrapunasest kuni ultravioletse valguseni.
Päikesevalgust võib vahetult muuta elektrienergiaks pooljuht-päikeseelementide abil. Nad töötavad
põhimõttel, et pooljuhis p-n siirdealas (p – juhtivusega ja n – juhtivusega alade kokkupuutepiirkond)
neeldunud valgus tekitab seal auk-elektron paari, mis sisemise elektrivälja toimel liiguvad eri
suundades ja tekitavad välisahelas pinge.
Väga lai optiliste omaduste kasutusala on laserid (rubiinlaser, pooljuhtlaserid) ja valgusdioodid,
mida kasutatakse indikaatorites – neid võib teha väga väikeseid, valgustäpi suurusi.
Väga palju kasutatakse optilisi kaableid, mida valmistatakse klaaskiududest. Neid vaatlesime
punktis 8.5.
13. MATERJALIDE SOOJUSLIKUD JA MAGNETILISED OMADUSED
13.1 Soojuslikud omadused
13.1.1 Soojusmahtuvus
Keskmine soojusmahtuvus on soojushulk Q, mida materjalile tuleb anda, et tõsta tema temperatuuri
1 kraadi võrra.
Tegelik soojusmahtuvus C on piirväärtus, millele läheneb keskmine soojusmahtuvus, kui
temperatuuri vahemik ΔT läheneb nullile:
Q dQ
C = lim =
ΔT→0
ΔT
dT
Tehakse vahet soojusmahtuvusel jääval ruumalal C v ja jääval rõhul C p .
Soojusmahtuvus on seotud kristallvõre sõlmedes olevate osakeste võnkumisega. Need võnkumised
toimuvad tasakaaluasendi ümber väga suure sagedusega ja väikese amplituudiga. Kuna osakesed on
omavahel seotud sidemetega, siis on naaberosakeste võnkumine omavahel seotud ja kristallis tekib
lainetuse taoline nähtus. Võnkeenergia ei saa omada igasugust väärtust (energia on kvanditud).
Väikseim võnkeenergia ühik kannab nimetust foonon.
64

Kuna võnkumiste intensiivsus temperatuuri alanemisel väheneb siis väheneb ka soojusmahtuvus. 0
K lähedal saab ta peaaegu võrdseks nulliga. Soojusmahtuvuse sõltuvus temperatuurist on toodud
joonisel 13-1. Madalatel temperatuuridel kasvab soojusmahtuvus kiiresti vastavalt võrrandile:
3
C v = AT , kus A on konstant
Edasi kasv aeglustub ja alates mingist temperatuurist Θ D jääb püsivaks. Temperatuuri Θ D
nimetatakse Debye temperatuuriks, tahketel ainetel on ta tavaliselt allpool toatemperatuuri.
Gaasilistel ainetel on C v maksimaalväärtus 3R.
Suurim soojusmahtuvus on polümeersetel materjalidel, väiksem keraamilistel materjalidel ja
metallidel. Metallidest on suurim soojusmahtuvus alumiiniumil.
13.1.2 Soojuspaisumine
Suurem osa materjale paisub temperatuuri tõusul. Materjali lineaarmõõtmete muut avaldub:
l − l0 Δl
= = αl(T
− T0
) = αlΔT
l0
l0
kus l 0 ja T 0 – algpikkus ja algtemperatuur;
l ja T – lõpp-pikkus ja lõpptemperatuur;
α l – joonpaisumise tegur.
Analoogiliselt ruumala muut:
ΔV
= αvΔT
V0
Ruumpaisumise tegur α v on isotroopsete materjalide korral võrdne 3α l .
Atomaarsel tasemel tähendab materjali paisumine aatomitevahelise kauguse suurenemist. Seda on
võimalik selgitada aatomite potentsiaalse energia (sidemeenergia) sõltuvusega aatomite vahelisest
kaugusest (joon 13-2a). Tasakaalulisele aatomitevahelisele kaugusele 0K juures vastab r 0 .
Kõrgematele temperatuuridele vastavad vibratsiooni energiad E 1 , E 2 jne. Koos energia kasvuga
kasvab ka vibratsiooni amplituud – näidatud nooltega. Kuna potentsiaalse energia sõltuvus
vahekaugusest on ebasümmeetriline, siis suureneb temperatuuri tõusul ka keskmine vahekaugus
(vastavalt r 1 , r 2 jne). Kui potentsiaali auk oleks sümmeetriline, nagu näidatud joonisel 13-2b, siis
paisumist ei toimuks.
Mida tugevam on side aatomite vahel, seda järsem ja kitsam on potentsiaali auk ning seda
väiksemad on α l ja α v . Suurim paisumine esineb polümeeridel, väiksem metallidel ja veel väiksem
keraamilistel materjalidel. Mida väiksem on α v , seda paremini talub materjal termilisi lööke. Kõige
väiksem α v on sulatatud kvartsil, mida võib valge hõõgumise temperatuurilt asetada vette.
13.1.3 Soojusjuhtivus
Materjali soojusjuhtivust iseloomustab soojusjuhtivuse tegur k. Ta on võrdeteguriks soojusvoo J q
(ajaühikus läbi pinnaühiku liikunud soojushulk) avaldises:
dT
J q = −k
dx
Soojuse ülekanne toimub kahe mehhanismi kaudu:
1) kristallvõre võnkeenergia (foononite) ülekandumisena;
2) vabade elektronide energia ülekandumisena.
65

Seega
k = k v + kel
.
Metallidel on peamine ülekandemehhanism – vabade elektronide abil. Seetõttu on nende k võrdeline
erijuhtivusega σ ja temperatuuriga T:
k = L ⋅ σ ⋅ T
kus L on võrdne kõigile metallidele (Wiedemann – Franzi konstant).
Metallide soojusjuhtivus ongi suurim, väiksem on see keraamilistel materjalidel ja veel väiksem
polümeeridel.
Termoisolatsiooniks kasutatavatel materjalidel peab olema võimalikult väike soojusjuhtivus.
13.2 Magnetilised omadused
13.2.1 Üldmõisted. Ferromagnetism ja ferrimagnetism
Välist magnetvälja iseloomustab magnetvälja tugevus H. Silindrilise pooli poolt tekitatud
magnetvälja tugevus avaldub:
n ⋅ I A
H = ,
l m
Kus n – pooli keerdude arv;
I – voolutugevus, A;
L – pooli pikkus, m.
Magnetvälja materjali sees iseloomustab magnetiline induktsioon ehk magnetvoo tihedus B:
B = μ ⋅ H, T(tesla)
kus μ – materjali magnetiline läbitavus (H/m).
Tavaliselt kasutatakse suhtelist magnetilist läbitavust:
μ
μ r =
μ0
kus μ 0 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
Joonisel 13-3 on näidatud ferro-, para- ja diamagneetikute B sõltuvus H-st väikestel väljatugevustel.
Vaatleme edasi ainult magnetmaterjale.
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.
Kui need protsessid lõpevad, saavutatakse küllastus, millele vastab küllastusinduktsioon B s .
66

Magneetimiskõveralt saab leida magnetilise läbitavuse μ. Väikestele väljatugevustele vastab
esialgne magnetiline läbitavus μ i . Erinevad magneetimiskõverad ja neile vastavad μ sõltuvused H-st
on toodud joonisel 13-6.
Välise magnetvälja perioodilisel muutmisel tekib nn hüstereesisilmus (joon 13-8). Hüstereesisilmust
iseloomustavad parameetrid on küllastusinduktsioon B s , jääkinduktsioon B r ja koertsitiivjõud H c .
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 Fe 3 O 4 . Nende μ ja B s on veidi väiksemad kui
ferromagneetikutel.
Magnetilised omadused (näiteks μ) sõltuvad temperatuurist. Ülalpool teatud temperatuuri (Curie
temp) ferromagnetilised omadused kaovad, kuna domeenide struktuur kaob.
13.2.2 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 pehme materjali hüstereesisilmus on kitsas (joon 13-10a), neil on
suur μ ja väike H c . Magnetiliselt kõvadel (joon 13-10b) on väiksem μ, aga suur H c .
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 – tal on ülisuur μ: μ max = 1430000 H/m. Väikese ρ tõttu kasutatakse ainult püsiva
magnetvoo juhina.
2) Elektrotehniline lehtteras: sisaldab 4% Si, mis suurendab eritakistust. Kasutatakse isoleeritud
lehtede kihina, mis takistab pöörisvoolude tekkimist.
3) Permalloidid – Fe ja Ni sulamid. Paremate omadustega, kuid kallimad.
4) Ferriidid – kõrgsageduslikud materjalid, kuna suur eritakistus.
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, SmCo 5 ja eriti mõned ferriidid (Nd 2 Fe 14 B).
67