microstructure*proper-es.pajarito.materials.cmu.edu/rollett/27301/l11-anisotropy-elasticity... ·...

23
1 27301 MicrostructureProper-es L11: Tensors and Anisotropy, Part 4 Profs. A. D. Rolle?, M. De Graef Microstructure Properties Processing Performance Last modi.ied: 25 th Oct. ‘15 Please acknowledge Carnegie Mellon if you make public use of these slides

Upload: phamxuyen

Post on 05-Jun-2018

217 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1  

27-­‐301  Microstructure-­‐Proper-es  

L11:  Tensors  and  Anisotropy,  Part  4  Profs.  A.  D.  Rolle?,  M.  De  Graef  

Microstructure   Properties  

Processing  Performance  

Last  modi.ied:  25th  Oct.  ‘15

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

2  

Objective  •  The  objecGve  of  this  lecture  is  to  provide  a  mathemaGcal  framework  for  the  descripGon  of  properGes,  especially  when  they  vary  with  direcGon.  

•  A  basic  property  that  occurs  in  almost  applicaGons  is  elas%city.    Although  elasGc  response  is  linear  for  all  pracGcal  purposes,  it  is  oNen  anisotropic  (composites,  textured  polycrystals  etc.).  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

Questions  &  Answers  1.  Why  is  it  useful  to  rotate/transform  the  compliance  tensor  or  matrix?    ONen  we  

need  to  compute  the  elasGc  modulus  in  some  parGcular  direcGon  that  is  not  [100]  or  [111].    Why  do  we  compute  the  compliance  rather  than  the  sGffness  in  the  1-­‐direcGon?  This  is  subtle:  we  use  compliance  because  one  can  impose  a  stress  state  that  has  only  one  non-­‐zero  component,  from  which  we  only  need  the  strain  component  parallel  to  it.    Poisson’s  raGo  tells  us  that  imposing  a  strain  in  one  direcGon  automaGcally  results  in  lateral  strains  (unless  ν=0),  which  means  that  it  is  not  possible  to  have  one  and  only  one  strain  component  contribuGng  to  a  parGcular  stress  component.  

2.  How  are  the  quanGGes  in  the  equaGon  for  the  rotated/transformed  s11  related  to  the  same  equaGon  with  the  Young’s  moduli  in  the  <100>  and  <111>  direcGons?  Comparison  of  the  two  formulae  shows  how  to  relate  the  three  S  values  to  the  Youngs’  moduli  in  the  two  direcGons.  

3.  What  is  Zener’s  anisotropy  raGo?  C'  =  (C11  -­‐  C12)/2;  Zener’s  raGo  =  C44/C’.  4.  Which  materials  are  most  nearly  isotropic?  W  at  room  temperature  is  almost  

isotropic  and  Al  is  not  quite  so  close  to  being  isotropic.  5.  How  do  we  apply  the  equaGons  to  calculate  the  variaGon  in  Young’s  modulus  

between  [100]  and  [110]  in  a  cubic  metals  such  as  Cu?  DirecGon  cosines  are  the  quanGGes  that  are  needed  to  define  the  direcGon  in  relaGon  to  the  crystal  axes.  

3  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

Q&A  -­‐  2 6.  What  are  the  Lamé  constants?  These  are  the  two  constants  λ  and  G  that  are  

needed  for  isotropic  elasGcity.  What  do  they  have  to  do  with  isotropic  elasGcity?  G  has  its  usual  meaning  of  shear  modulus,  or  C44:  see  the  notes  for  how  they  relate  to  C11  and  C12.  How  do  they  relate  to  Young’s  modulus,  bulk  modulus  and  Poisson’s  raGo?  See  the  notes  for  the  formulae.  

7.  How  do  we  write  the  piezoelectric  matrix  for  quartz?  6x3  matrix.  What  sGmuli  and  responses  do  each  coefficient  in  the  “d”  matrix  relate?  SGmulus  is  the  electric  field  and  the  response  is  the  strain.  What  are  the  “BT”  and  “AT”  cuts  of  a  quartz  crystal?  These  are  cuts  that  maximize  the  usefulness  of  the  thickness  shear  mode  of  oscillaGon.  

8.  What  equaGon  describes  the  resonant  frequency?  See  the  notes.  Why  does  temperature  ma?er  here?  Temperature  ma?ers  because  one  prefers  to  have  a  crystal  that  does  not  change  its  resonant  frequency  with  temperature.  Why  does  the  density  vary  as  the  sum  of  2α11+α33?  This  sum  is  the  trace  of  the  matrix  for  the  coefficient  of  thermal  expansion,  i..e  the  variaGon  in  volume  with  change  in  T.  

9.  How  does  the  angle  θ  relate  to  the  AT  and  BT  cuts  already  described?  This  angle  is  a  rotaGon  of  the  normal  to  the  surface  of  the  crystal  in  the  y-­‐z  plane  (i.e.  rotaGon  about  x).    How  do  we  set  up  the  equaGon  that  tells  us  the  variaGon  in  d66  with  angle  of  cut?  The  Eq  we  need  is  that  which  describes  the  rate  of  change  of  resonant  frequency  with  temperature.    

4  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

5  

Rotated  compliance  (matrix)  Given  an  orientaGon  aij,  we  transform  the  compliance  tensor,  using  cubic  point  group  symmetry:  

! S 11 = S11 a114 + a12

4 + a134( )

+ 2S12 a122 a13

2 + a112 a12

2 + a112 a13

2( )+ S44 a12

2 a132 + a11

2 a122 + a11

2 a132( )

WriGng  this  out  in  full  for  the  1111  component:  

Re-­‐wriGng  this  with  vector-­‐matrix  notaGon  gives:  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

6  

Rotated  compliance  (matrix)  •  This  can  be  further  simplified  with  the  aid  of  the  standard  

relaGons  between  the  direcGon  cosines,    aikajk  =  1  for  i=j;  aikajk  =  0  for  i≠j,  (aikajk  =  δij)    to  read  as  follows:            

•  By  definiGon,  the  Young’s  modulus  in  any  direcGon  is  given  by  the  reciprocal  of  the  compliance,  E  =  1/S’11.  

•  Thus  the  second  term  on  the  RHS  is  zero  for  <100>  direcGons  and,  for  C44/C'>1,  a  maximum  in  <111>  direcGons  (conversely  a  minimum  for  C44/C'<1).    

! s 11 = s11 −

2 s11 − s12 − 12s44( ) α12α22 +α 22α3

2 +α32α1

2{ }

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

7  

Anisotropy  in  terms  of  moduli  •  Another  way  to  write  the  above  equaGon  is  to  insert  the  values  for  the  Young's  modulus  in  the  soN  and  hard  direcGons,  assuming  that  the  <100>  are  the  most  compliant  direcGon(s).    (Courtney  uses  α,  β,  and  γ  in  place  of  my  α1,  α2,  and  α3.)    The  advantage  of  this  formula  is  that  moduli  in  specific  direcGons  can  be  used  directly.  

1Euvw

=1E100

− 3 1E100

−1E111

" # $

% & ' α12α 2

2 + α22α 3

2 +α32α1

2( )

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

8  

Cubic  crystals:  anisotropy  factor  •  If  one  applies  the  symmetry  elements  of  the  cubic  system,  it  turns  out  that  only  three  independent  coefficients  remain:  C11,  C12  and  C44,  (similar  set  for  compliance).  From  these  three,  a  useful  combinaGon  of  the  first  two  is    

             C'  =  (C11  -­‐  C12)/2  

 •  See  Nye,  Physical  Proper%es  of  Crystals  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

9  

Zener’s  anisotropy  factor  •  C'  =  (C11  -­‐  C12)/2  turns  out  to  be  the  sGffness  associated  with  a  shear  in  a  <110>  direcGon  on  a    {110}  plane.    In  certain  martensiGc  transformaGons,  this  modulus  can  approach  zero  which  corresponds  to  a  structural  instability.    Zener  proposed  a  measure  of  elasGc  anisotropy  based  on  the  raGo  C44/C'.    This  turns  out  to  be  a  useful  criterion  for  idenGfying  materials  that  are  elasGcally  anisotropic.      

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

10  

Anisotropy  in  cubic  materials  

•  The  following  table  shows    that  most  cubic  metals  have    posiGve  values  of  Zener's    coefficient  so  that  <100>    is  most  compliant  and  <111>  is  most  sGff,    with  the  excepGons  of  V,  Nb    and  NaCl.  

Material C44/C' E111/E100

Cu 3.21 2.87Ni 2.45 2.18A1 1.22 1.19Fe 2.41 2.15Ta 1.57 1.50

W (2000K) 1.23 1.35W (R.T.) 1.01 1.01

V 0.78 0.72Nb 0.55 0.57

β-CuZn 18.68 8.21spinel 2.43 2.13MgO 1.49 1.37NaC1 0.69 0.74

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

11  

Stiffness  coef.icients,  cubics  

Nb  (niobium):  beta1=17:60  (TPa)-­‐1  ,  Bcub=  0.50.  s11  =  6.56,  s44  =  35.20,  s12  =  -­‐2.29  (in  (TPa)-­‐1  ).  Emin  =  0.081,  Emax  =  0.152  GPa.

Units:1010 Pa

or10 GPa

12  

Example  Problem  

Should  be  E<111>=  18.89  

[Courtney]  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

For  an  elastically  isotropic  body,  there  are  only  2  elastic  moduli,  known  as  the  Lamé  constants.  

Lamé  constants    (isotropic  elasticity)  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

13  

Young’s,  Bulk  moduli,  Poisson’s  ratio  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

14  

Engineering  with  the  Piezoelectric  Effect

15  

•  [Newnham,  secGons  12.8  and  13.10]  The  use  of  quartz  as  a  resonant  crystal  for  oscillator  circuits  with  highly  stable  frequency  depends  strongly  on  the  details  of  its  properGes.  

•  Although  quartz  is  only  weakly  piezoelectric,  other  aspects  of  its  properGes  provide  the  key,  namely  thermal  stability.  

•  Most  elasGc  sGffness  coefficients  have  nega%ve  temperature  coefficients,  meaning  that  materials  become  less  sGff  with  rising  temperature.    The  c66  coefficient  of  quartz,  however,  is  posiGve;  Table  13.7.    This  offsets  the  effect  of  thermal  expansion,  which  increases  dimensions  and  decreases  density.  This  is  what  makes  it  possible  to  have  an  oscillator  that  is  insensiGve  to  temperature  changes.  

(�1, �2, �3, �4, �5, �6) =

0

BBBB@

d11 0 0�d11 0 0

0 0 0d14 0 00 �2d11 0

1

CCCCA

0

@E1

E2

E3

1

A

d11  =  2.27;  d14  =-­‐0.67  pC/N http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_acoustic_transducer

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

Quartz  Oscillator  Crystals,  contd. 16  

•  Resonant  frequency,  f,  for  thickness  (t)  shear  mode,  as  a  funcGon  of  the  rotaGon  of  axes  to  get  c’66,  where  ρ  is  the  density:  

•  AT  and  BT  cut  modes  are  thickness  shear  modes  driven  by  the  piezoelectric  coefficient  d’26:  ε’6  =  d’26  E’2  

f =12t

sc066

A  parGcular  angle  must  be  determined  for  the  ideal  cut  to  minimize  the  temperature  dependence  of  the  resonant  frequency.  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

Quartz  Oscillator  Crystals,  contd. 17  

•  Temperature  dependence  of  the  resonant  frequency,  f,  for  thickness  (t)  shear  mode,  as  a  funcGon  of  the  rotaGon  of  axes  to  get  c’66,  where  ρ  is  the  density:  

1f

df

dT= �1

t

dt

dT+

12c0

66

dc066

dT� 1

2�

d�

dT

•  Temperature  derivaGve  of  the  density:  1⇥

d⇥

dT= �(2�11 + �33) = �36.4⇥ 10�6K�1

•  Temperature  derivaGve  of  the  thickness  in  the  Z’2  (Y’)  direcGon:  1t

dt

dT= �0

2 = �11cos2⇥ + �33sin

2⇥

•  Transformed  (rotated)  sGffness  coefficient:  c066 = c1313sin

2� + c1312sin�cos� + c1213sin�cos� + c1212cos2�

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

Quartz  Oscillator  Crystals,  contd. 18  

•  Quartz  belongs  to  point  group  23.    Therefore  c1313  =  c55  =  c44    and  c1213  =  c65  =  c56  =  c14.  

•  Taking  the  temperature  derivaGve  for  c’66  and  subsGtuGng  all  the  relevant  values  into  the  equaGon,  one  obtains  the  following.    Here,  “T(c66)”  denotes  the  temperature  coefficient  of  the  relevant  sGffness  coefficient  (Table  13.7).    The  derivaGve  of  the  resonant  frequency,  f,  can  be  set  equal  to  zero  in  the  standard  fashion  in  order  to  find  the  minima.  

•  Applying  the  soluGon  procedure  yields  two  values  with  theta  =  -­‐35°  and  +49°,  corresponding  to  the  two  cuts  illustrated.  

•  Further  discussion  is  provided  by  Newnham  on  how  to  make  AC  and  BC  cuts  that  are  useful  for  transducers  for  transversely-­‐polarized  acousGc  waves.  

1f

df

dT= ��11cos

2⇥ � �33sin2⇥ +

12(2�11 + �33) +

12

c44T (c44)sin2⇥ + 2c14T (c14)sin⇥cos⇥ + c66T (c66)cos2⇥

c44sin2⇥ + 2c14sin⇥cos⇥ + c66cos2⇥

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

19  

Summary  

•  We  have  covered  the  following  topics:  –  Examples  of  elasGc  property  values  –  Anisotropy  coefficients  (Zener)  –  Dependence  of  Young’s  modulus  on  direcGon  (in  a  crystal)  

–  Worked  example  –  Quartz  oscillator  crystals  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

20  

Supplemental  Slides  •  The  following  slides  contain  some  useful  material  for  those  who  are  not  familiar  with  all  the  detailed  mathemaGcal  methods  of  matrices,  transformaGon  of  axes  etc.  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

21  

Notation  F        SGmulus  (field)  R        Response  P        Property  j        electric  current    E        electric  field  D        electric  polarizaGon  ε  Strain  σ  Stress  (or  conducGvity)  ρ  ResisGvity  d      piezoelectric  tensor  

C        elasGc  sGffness  S        elasGc  compliance  a        rotaGon  matrix  W        work  done  (energy)  I        idenGty  matrix  O        symmetry  operator  (matrix)  

Y        Young’s  modulus  δ     Kronecker  delta  e        axis  (unit)  vector  T        tensor,  or  temperature  α        direcGon  cosine  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

22  

Bibliography  •  R.E.  Newnham,  Proper'es  of  Materials:  Anisotropy,  Symmetry,  Structure,  Oxford  

University  Press,  2004,  620.112  N55P.  •  De  Graef,  M.,  lecture  notes  for  27-­‐201.  •  Nye,  J.  F.  (1957).  Physical  Proper%es  of  Crystals.  Oxford,  Clarendon  Press.  •  Kocks,  U.  F.,  C.  Tomé  &  R.  Wenk,  Eds.  (1998).  Texture  and  Anisotropy,  Cambridge  

University  Press,  Cambridge,  UK.  •  T.  Courtney,  Mechanical  Behavior  of  Materials,  McGraw-­‐Hill,  0-­‐07-­‐013265-­‐8,  620.11292  

C86M.  •  Landolt,  H.H.,  Börnstein,  R.,  1992.  Numerical  Data  and  Func%onal  Rela%onships  in  

Science  and  Technology,  III/29/a.  Second  and  Higher  Order  ElasGc  Constants.  Springer-­‐Verlag,  Berlin.  

•  Zener,  C.,  1960.  Elas%city  And  Anelas%city  Of  Metals,  The  University  of  Chicago  Press.  •  GurGn,  M.E.,  1972.  The  linear  theory  of  elasGcity.  Handbuch  der  Physik,  Vol.  VIa/2.  

Springer-­‐Verlag,  Berlin,  pp.  1–295.  •  HunGngton,  H.B.,  1958.  The  elasGc  constants  of  crystals.  Solid  State  Physics  7,  213–351.  •  Love,  A.E.H.,  1944.  A  Trea%se  on  the  Mathema%cal  Theory  of  Elas%city,  4th  Ed.,  Dover,  

New  York.  •  Newey,  C.  and  G.  Weaver  (1991).  Materials  Principles  and  Prac%ce.  Oxford,  England,  

Bu?erworth-­‐Heinemann.  •  Reid,  C.  N.  (1973).  Deforma%on  Geometry  for  Materials  Scien%sts.  Oxford,  UK,  

Pergamon.  

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides  

23  

Transformations  of  Stress  &  Strain  Vectors  •  It  is  useful  to  be  able  to  transform  the  axes  of  

stress  tensors  when  wri?en  in  vector  form  (equaGon  on  the  leN).  The  table  (right)  is  taken  from  Newnham’s  book.    In  vector-­‐matrix  form,  the  transformaGons  are:  

" σ 1" σ 2" σ 3" σ 4" σ 5" σ 6

$

%

& & & & & & &

'

(

) ) ) ) ) ) )

=

α11 α12 α13 α14 α15 α16α21 α22 α23 α24 α25 α26

α31 α32 α33 α34 α35 α36

α41 α42 α43 α44 α45 α46

α51 α52 α53 α54 α55 α56

α61 α62 α63 α64 α65 α66

+

,

- - - - - - -

.

/

0 0 0 0 0 0 0

σ1σ 2

σ 3

σ 4

σ 5

σ 6

$

%

& & & & & & &

'

(

) ) ) ) ) ) )

" σ i =α ijσ j

σ i =α ij−1 " σ j

" ε i =α ij−1Tε j

εi =α ijT " ε j

Please  acknowledge  Carnegie  Mellon  if  you  make  public  use  of  these  slides