Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba FBN332E-1 Dr. Geretovszky Zsolt 2010. október 13. A lézeres l anyagmegmunkálás szempontjából l fontos anyagi tulajdonságok Optikai tulajdonságok Mechanikai tulajdonságok Termikus tulajdonságok
Abszorptivitás, s, A E 1 A + R+ T O1 absz A E 0 A nyaláb teljes energiájának, teljesítményének ezen, abszorbeált része hasznosul, hisz ez fordítódik a minta megmunkálására. polarizációfüggő! (ld. Fresnel formulák) hőmérsékletfüggő, legtöbb szilárd fémre, ötvözetre az IR-ban da/dt>0 függ a felületi simaságtól durva felszín A-ja nagyobb Abszorpciós s tényezt nyező, β O2 Beer-Lambert törvény: E( z) E 0 e β z E 0 : a mintára eső energia (z0) E: a minta z mélységébe jutó energia β: abszorpciós tényező abszorpciós hossz: ahol E0 E( z absz ) e z absz 1 β
Sűrűség, ρ M1 Az atomok szorosabb illeszkedése nagyobb sűrűséget (és egyszersmind magasabb olvadáspontot is) eredményez. Fémek: általában nagy Műanyagok: alacsony Fajhő, c T1 Az anyag fajlagos hőkapacitása: annak az energiának a mértéke, mely ahhoz szükséges, hogy az anyag egységnyi mennyiségének hőmérsékletét 1 kelvinnel növeljük állandó nyomáson vonatkozhat tömegegységre, térfogategységre, vagy egységnyi anyagmennyiségre, mértékegysége, ennek megfelelően: Jkg, Jm 3, Jmol A legtöbb anyag térfogati fajhője szobahőmérsékleten: 6 3 10 Jm A fajhő hőmérsékletfüggése: fémek és ötvözetek: a hőmérséklet növelésével nő, max. 25 J mol -1-1 kerámiák és üvegek: a hőmérséklet növelésével nő, míg kb. 1000 o C-nál állandóvá válik műanyagok: az üvegesedési hőmérséklet eléréséig nő 3
Hővezetőképesség, λ thermal conductivity T2 Az anyag azon tulajdonságát jellemzi, hogy egyensúlyi körülmények között milyen mértékben képes a hő vezetésére. heatflux temperature gradient λ -1 Q T λa t x [ λ] Wm Fémek: elektronok nagy hővezetőképesség, T növelésével csökken, Wiedemann-Franz törvény: λ 8 2 LT, L 2.44 10 WΩ erámiák: fononok nagyobb kötéserősség jobb hővezetőképesség (pl. gyémánt), réteges szerkezetekben anizotróp (pl. grafit), T növelésével csökken σ Üvegek: amorfak rossz hővezetés és nincs jelentősebb hőmérsékletfüggés Műanyagok: kovalens kötés + nagy molekulák + kevéssé kristályos alacsony hővezetés Hődiffúziós s együtthat ttható, a thermal diffusivity T3 a λ ρ c hővezetéssel terjedő energia térfogategységben tárolt energia Tranziens (nemegyensúlyi) folyamatok során jelentős! pl. impulzus lézeres kezelés, vagy mozgó minta/nyaláb Termikus behatolási mélység: z term 4at t: a hőkezelés ideje Ötvözetek hődiffúziós együtthatója kisebb, mint a tiszta fémeké!
Hőtágulási együtthat ttható, α T4 α l 0 l T Szoros illeszkedésű kristályrácsoknál (pl. fémek, ötvözetek, ionos kerámiák) a hőtágulási együttható nagy. ovalens kötésű anyagokban van elegendő szabad hely a tágabb rezgési amplitúdók számára is kisebb hőtágulási együttható Anizotróp anyagokban irányfüggő. Átalakulási hőmérsh rsékletek T5 A különféle fázisátmenetek jellemző hőmérsékleteken játszódnak le. olvadáspont, forráspont... Tfp 2 T melyekhez karakterisztikus energiák is tartoznak op fémek, ötvözetek Szoros illeszkedés és erős kötés magas olvadáspontot eredményez. Üvegesedési hőmérséklet, T g : amorf anyagokra jellemző szilárdszerű -> folyadékszerű viselkedés Polimer T g ( C) Polietilén (LDPE) 25 or 30 Polipropilén (atactic) 20 Polivinilacetát (PVAc) 28 Polietilén tereftalát (PET) 79 Polivinilalkohol (PVA) 85 Polivinil-klorid (PVC) 81 Polisztirén 95 Polipropilén (isotactic) 0 Polimetilmetakrilát) (atactic) 105 Gumi 160 Szilícium oxid 1175 T 1. 5 op T g
Olvadásh shő,, párolgp rolgáshő T5 A fázisátalakulást kísérő szabadenergia változás. H T H T S S Olvadásra: olv Párolgásra: op H T forrás fp S R 8.314Jmol 10.5R 88Jmol Trouton-szabály FIGYELEM: a fenti összefüggések nem érvényesek asszociálódó anyagokra (pl. másodrendű kötések) Anyagi állandók FÉME ÉS ÖTVÖZETE
ÜVEGE ÉS S ERÁMI MIÁ MŰANYAGO
OMPOZITO Anyagi tulajdonság g diagramok, 1 fémek ötvözetek üvegek műanyagok
Anyagi tulajdonság g diagramok, 2 meredekség: 3 6 3 10 Jm habok Anyagi tulajdonság g diagramok, 3 Mechanikai feszültség Termikus feszültség