13.03.2007
Wykład 4
Energia wiązań między atomami w różnych substancjach
Rodzaj wiązania |
Substancja |
Energia wiązania |
||
|
|
Kg/mol |
eV/ atom, jon, cząsteczkę |
|
Pierwotne |
Jonowe |
NaCl MgO |
640 109 |
3.3 5.2 |
|
Kowalencyjne |
Si C (diament) |
450 713 |
4.7 7.4 |
|
Metaliczne |
Mg Al Fe |
68 324 406 |
0.7 3.4 4.2 |
Wtórne |
Van der Waalsa |
Ar Cl2 |
7,7 31 |
0.008 0.32 |
|
Wodorowe |
NH3 H2O |
36 51 |
0.36 0.52 |
Wiązania atomowe (kowalencyjne):
Elektrony walencyjne różnych atomów tworzą pary elektronów, które należą wspólnie do jąder 2 - atomów.
Duża wytrzymałość.
Wiązania metaliczne:
Występują w dużych skupiskach atomów metalicznych, oddają elektrony walencyjne
Nie mają charakteru kierunkowego
Wiązania Van der Waalsa i wiązania wodorowe:
Nie występują osobno, tylko zawsze z wiązaniem pierwotnym.
Van der Waalsa - między dipolami atomów ich cząsteczek, dipole łączą się od + do -.
Wodorowe - występują pomiędzy atomami wodoru związanego z fluorem, tlenem lub azotem. Pojedynczy elektron z wodoru jest uwspólniony z innymi atomem.
Wiązanie jonowe i kowalencyjne:
Charakteryzuje się największą energią wiązania, która wpływa na wytrzymałość materiałów
Wiązania metaliczne:
Energia wiązania jest mniejsza
W metalach i ich stopach oraz większości materiałów ceramicznych atomy ułożone są w pewien uporządkowany sposób.
Siedem układów krystalograficznych (atomy tworzą sieć krystaliczną):
Prosta sieciowa łączy środki dwóch atomów
Parametr sieciowy - najbliższa odległość między atomami.
Płaszczyzna sieciowa - przesunięcie prostej sieciowej w kierunku różnym od tej prostej.
Kamionka elementarna - przesunięcie płaszczyzny sieciowej w trzech płaszczyznach.
A, b, c - parametry sieciowe, gdy są sobie równe oznaczamy wszystkie jako a, poza tym kamionka elementarna opisana jest kątami α, β, γ.
Układy:
Jednoskośne
Prymitywne
Centrowane na podstawach
Trójskośne
Rombowe
Prymitywne
Centrowana na podstawach
Przestrzenie centrowane
Ściennie centrowane
Tetragonalne
Prymitywne
Przestrzennie centrowane
Romboedryczne
Heksagonalne
Regularne
Prymitywne
Przestrzennie centrowane
Ściennie centrowane
Prymitywna - atomy znajdują się tylko w narożach komórki elementarnej.
Ściennie centrowana - atomy występują na wszystkich ścianach komórki
Centrowana na podstawach - atomy występują też na podstawach komórki elementarnej.
Sieć typu A1 lub PSC - siec regularna, ściennie centrowana
Sieć typu A2 lub RPC - regularna, przestrzennie centrowana (stal heretyczna)
Sieć typu A3 lub HZ - sieć heksagonalna zwarta
Komórki elementarne są opisane parametrami sieciowymi a, b, c oraz kątami α, β, γ. Każdy układ charakteryzuje się innymi parametrami.
Metale nie krystalizują w trójskośnej i skośnej. Krystalizują w pozostałych.
Odkształcenie plastyczne zachodzi najłatwiej w płaszczyznach o gęstym ułożeniu atomów.
Na skutek działania wysokiej temperatury, ciśnienia, może dojść do przebudowy sieci krystalicznej (przebudowy alotropowej). Prowadzą one do powstania faz przebudowy krystalicznej (oznaczamy literami greckimi) np.:
Fe - α
Fe - γ
Różnią się właściwościami chemicznymi, fizycznymi. Rzeczywista struktura materiałów (głównie metali), pojawiają się w materiale różne defekty.
Gdy komórka elementarna powtarza się w sposób wielokrotny mówimy o idealnym przypadku.
Kryształy woskowate (wisteksy) - wistersy niewielkiej ilości defektów, tylko jedna dyslokacja śrubowa, otrzymujemy bardzo wysoką wytrzymałość ok. 10000 MPa.
Najlepsze stale - 2500 - 3000 MPa
Wisteksy mają kilka lub kilkanaście mikrometrów średnicy 10-6 m, o długości kilku milimetrów. Wytrzymałość spada wraz ze wzrostem gęstości defektów, po przekroczeniu pewnej granicy znowu rośnie (generując coraz większą ilość defektów
Trzy rodzaje defektów budowy krystalicznej:
Punktowe (wakans: brakujący atom pozycji węzłowej, atom międzywęzłowy: dodatkowy atom)
Liniowe (dyslokacje) - najczęściej 2 rodzaje: dyslokacje krawędziowe i dyslokacje śrubowe
Powierzchniowe.
Gdy występuje wakans - kontrakcja sieci - naprężenie rozciągające, gdy atomy międzywęzłowe - naprężenie ściskające.
Pozycje międzywęzłowe mają ograniczone wymiary. Między nimi pojawiają się małe atomy.
Mechanizm Schatky'ego - powstaje wakans
Mechanizm Frenkla - powstaje wakans oraz atom międzywęzłowy
Ruch atomów łatwiej zachodzi w podwyższonej temperaturze (wzrastają wówczas drgania sieci (atomy odchylają się do swoich położeń, zyskują dodatkową energię, która umożliwia im przemieszczenie.
Defekty punktowe - powstają podczas krystalizacji metalu oraz podczas nagrzewania
Dyslokacje krawędziowe - krawędź półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej pomiędzy nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. Powoduje odkształcenie postaciowe i objętościowe. W zależności od położenia płaszczyzny krawędzi - dyslokacja dodatnia - gdy półpłaszczyzna leży przed płaszczyzną poślizgu oznaczamy ┴; dyslokacja ujemna - gdy półpłaszczyzna leży pod płaszczyzną poślizgu oznaczamy ┬.
Płaszczyzna poślizgu - płaszczyzna o najbardziej gęstym ułożeniu atomów. Odbywa się w niej ruch dyslokacji (dyslokacje mają zdolność przemieszczania się)
Dyslokacja opisana jest za pomocą wektora Burgersa (b). Wektor ten otrzymujemy wykreślając kontur Burgersa.
Gdy mamy kryształ idealny wykreślamy pętle o pewną (równą) ilość odcinków (kontur się zamknie, gdy nie ma defektów), gdy są defekty, kontur się nie zamknie.
Przemieszczenie dyslokacji zachodzi pod wpływem naprężeń stycznych (ścierających) - dyslokacja przemieszcza się wzdłuż płaszczyzny poślizgowej.
Pod wpływem naprężeń normalnych (rozciągających lub ściskających) dyslokacja będzie się wspinała.
Wspinanie dodatnie - na skutek dyfuzji wakansu
Wspinanie ujemne - dyfuzja atomów do dyslokacji
Dyslokacja wychodzi na powierzchnię kryształu (powstaje uskok dyslokacyjny).
Przemieszczenie się dyslokacji wykorzystuje się w obróbce plastycznej w stanie równowagowym - 1010
linii dyslokacyjnych. W odkształceniach plastycznych na zimno - 1016
linii dyslokacyjnych. Dyslokacja po przekroczeniu pewnej granicy zaczyna się blokować (gdy jest ich bardzo duża - dalej jest niemożliwe odkształcenie plastyczne na zimno).
Dyslokacja śrubowa - przemierza części krystaliczne wokół osi, którą nazywamy linią dyslokacji śrubowej, powstaje odkształcenie śrubowe:
- prawoskrętne
- lewoskrętne
Wielkość tej dyslokacji również opisana jest wektorem, Burgersa. Dyslokacja mieszana - śrubowa + krawędziowa - podczas krystalizacji.
Dyslokacje mogą się przyciągać lub odpychać. Zależy to od:
Dyslokacje jednoimienne, np. dodatnie, które przemieszczają się w jednej płaszczyźnie poślizgu - odpychają się
Dyslokacje różnoimienne, które przemieszczają się w jednej płaszczyźnie poślizgu o kąt większy niż 45°.
Defekty powierzchniowe:
Błąd ułożenia - zaburzona sekwencja ułożenia płaszczyzn sieciowych, np. ABCBCA a nie ABCABC lub dodatkowa płaszczyzna ABCBABC. Powstają podczas krystalizacji.
Granice ziaren - monokryształy - wszystkie komórki krystalograficzne ułożone są w jednym kierunku. Materiały polikrystaliczne - materiał podzielony jest na małe obszary (ziarna), gdzie wszystkie komórki ziarna ułożone są w różne strony (ziarna oddzielone są od siebie granicami ziarna). W zależności od kąta dezorientacji rozróżniamy:
Granice wąskokątowe - niewielki kąt dezorientacji krystalicznej, tzw. granica daszkowa zbudowana z dyslokacji krawędziowej.
Granica szerokokątowa - miejsce koincydentne (wspólna dla jednego i drugiego ziarna)
Od wielkości ziaren zależy wytrzymałość: im mniejsze ziarna tym większa wytrzymałość, im więcej dyslokacji tym większa wytrzymałość.
Monomateriały - materiały o bardzo dużej wytrzymałości.
Materiał bezpostaciowy - atomy ułożone w sposób przypadkowy (materiał amorficzny, np. szkła)
Szkła metaliczne - materiały metaliczne, bezpostaciowe, nie mają budowy krystalograficznej, powstającej przy bardzo szybkim chłodzeniu (1 mln °/s).
Granice międzyfazowe: oddziela fazy w materiale:
Konkretne - wspólne węzły sieci
Niekoherentne - całkowity brak dopasowania dwóch faz
Półkoherentne - częściowe dopasowanie faz
Faza - jednorodna część stopu, różniąca się typem sieci.
Stopy metali:
Roztwór stały - jednorodna faza, wiązania metaliczne, struktura krystaliczna, składa się z atomów rozpuszczalnika i atomów pierwiastka rozpuszczanego. Zależy od typu sieci, wielkości atomów, wartościowości pierwiastka, np. roztwór stały międzywęzłowy, różnowęzłowy
Roztwór stały podstawowy, - gdy rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu
Roztwór stały wtórny - gdy rozpuszczalnikiem jest faza międzykrystaliczna
Roztwór stały ciągły - jeden składnik możemy zamienić w 100% innym składnikiem
Roztwór stały graniczny - możemy jedynie w pewnym zakresie rozpuścić jeden pierwiastek w drugim
Fazy międzymetaliczne - powstają wskutek połączenia dwóch metali lub pierwiastka metalicznego z niemetalicznym. Mają uporządkowany rozkład atomów. Powodują umocnienie materiałów.
26
a
b
c