background image
background image

Wła ciwo ci wszystkich materiałów wynikaj  z ich „budowy wewn trznej”

background image
background image

wykazuj uporz dkowanie dalekiego zasi gu - atomy lub cz steczki uło one s

wzgl dem siebie w sposób regularny zachowuj c przestrzenn symetri wzgl dem punktu, 

prostej i płaszczyzny

ka dy atom ma jednakow  liczb  najbli szych i równoodległych s siadów  

(liczba koordynacji - lk )

atomy s  uło one w okresowo w powtarzaj cych si  odst pach w trzech kierunkach

Metale i ceramika

background image

Kryształ mo na sobie 

Kryształ mo na sobie 

wyobrazi , 

wyobrazi , 

jako powtarzaj ce si   

jako powtarzaj ce si   

przestrzeni bryły geometryczne

przestrzeni bryły geometryczne

KOMÓRKI ELEMENTARNE

KOMÓRKI ELEMENTARNE

Baza atomowa

zespół atomów przyporz dkowanych w złowi sieci przestrzennej

(atomy zawarte w komórce elementarnej)

background image

Aby móc opisa  pojedynczy kryształ nale y zna :
•Kształt komórki elementarnej
•Rozmiar komórki elementarnej
•Zawarto  komórki elementarnej

=> KRYSTALOGRAFIA

Dla wyrazisto ci rysunku zamiast atomów zazwyczaj zaznacza si  tylko ich  rodki ci ko ci!

W krystalografii zakłada si ,  e atomy (jony) s  sztywnymi kulam

W krystalografii zakłada si ,  e atomy (jony) s  sztywnymi kulam

o pewnym promieniu R, a struktura krystaliczna jest stabilna  

o pewnym promieniu R, a struktura krystaliczna jest stabilna  

wtedy, gdy atomy b d ce najbli ej siebie stykaj  si .

wtedy, gdy atomy b d ce najbli ej siebie stykaj  si .

background image

  !

background image

"

14 TYPÓW SIECI 

BRAVAIS’GO

7 KSZTAŁTÓW KOMÓREK 

ELEMENTARNYCH

REGULARNA

TETRAGONALNA

HEKSAGONALNA

JEDNOSKO NA

TRÓJSKO NA

TRYGONALNA

ROMBOWA         

a, b, c – odległo ci mi dzy atomami tzw. 

parametry sieci

background image

#

Komórki elementarne

nigdy nie maj  jako podstawy wielok ta o ilo ci 5, 7 lub wi cej.

Dlaczego?

Konsekwencja d enia do minimalizacji 

Konsekwencja d enia do minimalizacji 

energii wewn trznej ciała stałego

energii wewn trznej ciała stałego

.

.

background image

$

A1 – PŁASKO CENTROWANA 

UKŁADU REGULARNEGO (RSC)

(FCC)

A2 – PRZESTRZENNIE 

CENTROWANA UKŁADU 

REGULARNEGO (RPC)

(BCC)

A3 – ZWARTA UKŁADU HEKSAGONALNEGO (HZ)

(HCP)

Wi kszo  metali krystalizuje w trzech rodzajach sieci przestrzennej:

A2

Tytan 

β

A3

Tytan 

α

A1

Kobalt 

β

A3

Kobalt 

α

A1

Nikiel

A1

Mied

A3

Magnez

A1

Aluminium

A1

elazo 

γ

A2

elazo 

α

Typ sieci

Pierwiastek

background image

%

&

Wiele pierwiastków w zale no ci od temperatury (ci nienia) mo e wyst powa  w wi cej ni  

jednej  strukturze  krystalicznej,  które  charakteryzuj   si   odmiennymi  wła ciwo ciami 

mechanicznymi.

Zjawisko wyst powania ró nych odmian tego samego pierwiastka to 

nazywamy polimorfizmem, a odmiany nazywamy alotropowymi

.

GRAFIT

DIAMENT

W GIEL

background image

"

'

'

W krysztale wi kszo  wła ciwo ci zale y o kierunku

ANIZOTROPIA

W jednym kierunku atomy oddalone s  od 

siebie o jedn , natomiast w innym kierunku

o inn  odległo

To powoduje,  e wła ciwo ci musz  ró ni  si  w zale no ci od kierunku

Na przykładzie grafitu i diamentu

Na przykładzie  elaza 

α

background image

(

)

background image

(

)

 

0-1/2= 

-1/2

1-0= 

1

1-1/2= 

1/2

Pozbywamy si

ułamków 

poprzez wymno enie 

przez 2

background image

(

)

!

"

#

$  %

Wyznaczanie wska ników Millera:

1) Wyznacz współrz dne punktów przeci cia płaszczyzny z osiami krystalograficznymi 

(jako krotno ci stałych sieci)

2) Znajd  ich odwrotno ci

3) Przemnó  je przez wspólny mianownik, aby otrzyma  liczby całkowite, wzgl dem siebie 

pierwsze.

Trzy liczby całkowite, pierwsze wzgl dem siebie (hkl). 

Je eli  płaszczyzna  nie  przechodzi  przez  pocz tek  układu  współrz dnych,  ale 

jest  mu  najbli sza,  to  odwrotno ci  współrz dnych  punktów  przeci cia 

płaszczyzny z osiami , o ile s  całkowite, stanowi  wska niki płaszczyzny.

background image

&

"

#

1).

Wska niki punktów 

przeci cia płaszczyzny

z osiami

x=1, y=1, z=1

2).

1/x=1, 1/y=1, 1/z=1

3). 

Otrzymujemy (111)

background image

&

"

#

1). 
Wska niki punktów 

przeci cia płaszczyzny

z osiami
x=1, y=2, z=

2). 
1/x=1, 1/y=1/2, 1/z=0
3). 
Pozbywamy si  ułamków 

poprzez wymno enie 

przez 2
1/x=2, 1/y=1, 1/z=0
4). Otrzymujemy (210)

Je eli  odwrotno ci  współrz dnych  punktów 

przeci cia  płaszczyzny  z  osiami  nie  s  

całkowite,  to  trzeba  je  sprowadzi   do  wspólnego 

mianownika  -

liczniki  stanowi   wska niki 

płaszczyzny.

background image

&

"

#

1). Musimy przesun  układ 

współrz dnych, aby

płaszczyzna nie 

przechodziła przez 0, 0, 0. 

Np. o jedn  jednostk  w 

kierunku osi y. 

Teraz 

=

= -1 i z =

2).

1/

= 0, 1/

= -1, 1/z = 0

3). Nie ma ułamków.

4) Otrzymujemy (0 1 0)

background image

&

"

#

*

+

,

,

background image

*

+

'

Rodzina płaszczyzn równoległych ma takie same wska niki Millera

background image

A:

1) a

1

= a

2

=a

3

=

c=1

2) 1/ a

1

= 1/a

2

=1/a

3

=0  1/c=1

3) (0001) 

B:

1) a

1

=1, a

2

=1, a

3

=-1/2, c=1

2) 1/a

1

=1, 1/a

2

=1, 1/a

3

=-2, 1/c=1

3) (1121)

&

"

#

*

+

,

,

,

W strukturze heksagonalnej 

u ywa si  czterech osi

i czterech wska ników.

background image

Struktury g sto upakowane: 
regularna płasko centrowana i heksagonalna g sto upakowana

1. Najpierw pierwsza warstwa A

2. Nast pnie druga warstwa – atomy drugiej    warstwy 

znajduj  si  nad co drugim wgł bieniem wyst puj cym  w 

warstwie pierwszej

3. Przy obsadzaniu trzeciej warstwy s  dwie mo liwo ci:
Nad atomami warstwy pierwszej (sekwencja ABABAB…)
Nad niezaj tymi poprzednio przestrzeniami

w warstwie pierwszej (sekwencja ABCABC…)  

ABABAB

ABCABC

background image

- . - .

Powstaje struktura heksagonalna g stoupakowana

(A3)

background image

- .   - .  

Powstaje struktura regularna płasko centrowana 

(A1)

background image

/

0

0

0

1

Jak policzy  liczb  atomów (w złów)

w komórce elementarnej?

1/8

1

A2:  

8 1/8 + 1 = 2 

A1:  

8 1/8 + 6 1/2 = 4 

A3:

12 1/6 + 2 1/2 + 3 = 6 atomów

Liczba koordynacyjna: 

liczba najbli szych s siadów

Współczynnik wypełnienia:

stosunek obj to ci zaj tej przez atomy 

zawarte w komórce elementarnej do jej obj to ci

a

a

√√√√

√√√√

2=4R=2d

2=4R=2d

Przykład: 
W strukturze A1 atomy „stykaj  si  
” wzdłu  przek tnej  ciany 
sze cianu: ich cztery promienie s  
równe długo ci przek tnej.

Promie  atomowy:

1/2

background image

2

- 3

background image

2

- 4

background image

2

- 5

Stałe sieci s  zwi zane ze sob  zale no ci  :

background image

*

'

Wska niki Millera pozwalaj  obliczy  odległo ci mi dzy s siednimi 

płaszczyznami o tych samych wska nikach.

np. w strukturach regularnych:

a – długo  kraw dzi komórki elementarnej 

background image

*

'

background image

6

1. Kryształ idealny nie istnieje - rzeczywista budowa struktur krystalicznych ró ni si  od 

idealnej.

2. Wyst puj  w niej zaburzenia w uło eniu atomów nazywane defektami 

(ka de zaburzenie periodycznego uporz dkowania atomów)

3. Defekty  maj   istotny  wpływ  na  własno ci  fizyczne  i  mechaniczne  metali.

Wprowadzane  s   celowo  poprzez  tworzenie  stopów,  obróbk   ciepln , techniki 

wytwarzania lub przetwarzania aby otrzyma  okre lone wła ciwo ci materiału.

4. W zale no ci od geometrii zaburzonego obszaru defekty dzieli si na:

punktowe (wakanse, obce atomy),

liniowe (dyslokacje)

powierzchniowe (granice ziaren, granice mi dzyfazowe, bł dy 

uło enia)

background image

7 %

a) Wakans

b) Atom mi dzyw złowy

c, d) Atom domieszki

Wakans – brak atomu 

w w le sieci krystalicznej

Domieszka – obcy atom

w w le sieci krystalicznej

Powoduj  deformacj  sieci

Powoduj  deformacj  sieci

krystalicznej w swoim najbli szym otoczeniu.

krystalicznej w swoim najbli szym otoczeniu.

Atom mi dzyw złowy – rodzimy

lub obcy atom 

w poło eniu mi dzyw złowym

background image

7 %

Poło enia mi dzyw złowe (luka mi dzyw złowa) – Poło enia pomi dzy „normalnymi’’ atomami

i jonami w krysztale w których inny atom lub jon mo e si  znajdowa . 

Zazwyczaj rozmiar poło enia mi dzyw złowego jest mniejszy ni  wprowadzonego jonu lub atomu.

Luka sze cienna – Atom mi dzyw złowy ma liczb  koordynacyjn  osiem.
Luka oktaedryczna - Atom mi dzyw złowy ma liczb  koordynacyjn sze  .
Luka tetraedryczna - Atom mi dzyw złowy ma liczb  koordynacyjn cztery.

background image

7 %

 

za po rednictwem

wakansów

za po rednictwem

poło e  mi dzyw złowych.

Dyfuzja:
•umo liwia wyrównywanie niejednorodno ci składu chemicznego stopów, 
•towarzyszy wi kszo ci przemian i procesom obróbki cieplnej

oraz cieplno-chemicznej
•przyczynia si  do zjawiska korozji

background image

7 %

(

)

Domieszki absorbuj   wiatło o innej długo ci ni  idealna substancja krystaliczna.

W konsekwencji:

domieszki mog  zmienia  kolor materiałów krystalicznych

Rubin: domieszka Fe

background image

7 %

)

Przecinamy idealny kryształ. 

Na jedn  z cz ci działamy sił  równoległ  do przeci cia.

W konsekwencji przesuwamy j  o jedn  stał  sieciow .

Przecinamy idealny kryształ. 

„Wstawiamy” dodatkow  płaszczyzn  sieciow .

DYSLOKACJA

RUBOWA

DYSLOKACJA

KRAW DZIOWA

background image

7 %

Dyslokacje opisuje si  za pomoc :

•Osi (linii) dyslokacji

(linia wzdłu  której ko czy si  dodatkowa płaszczyzna)

•Wektora Burgersa

dyslokacja kraw dziowa dodatnia ( ) i ujemna ( )

background image

7 %

Dyslokacja  rubowa:

wektor Burgersa

jest równoległy do linii dyslokacji.

Dyslokacja kraw dziowa: 

wektor Burgersa

jest prostopadły do linii dyslokacji.

DYSLOKACJA MIESZANA

background image

7 %

'

 

$

%

background image

7 %

'

 

$

)

%

dyslokacja kraw dziowa przemieszcza si po  ci le okre lonej płaszczy nie po lizgu w kierunku 

działaj cego napr enia stycznego, równolegle do wektora Burgersa,

background image

7 %

*

)

$

%

Mechanizm odkształcenia plastycznego przez po lizg płaszczyzn atomowych:

a) łatwiejszy gdy płaszczyzny s  g sto upakowane,

b) trudniejszy gdy płaszczyzny s  słabiej wypełnione atomami

Materiały (metale) o strukturach krystalicznych A1 s  bardziej podatne 

na odkształcenia plastyczne ni  materiały o strukturach A2

Wniosek:

background image

7 %

*

)

&

background image

7 %

*

)

&

Płaszczyzna po której przemieszcza si  dyslokacja

nosi nazw  płaszczyzny po lizgu

Płaszczyzna i kierunek po lizgu tworz  tzw. system po lizgu

Po lizg zachodzi najłatwiej na płaszczy nie najg ciej upakowanej atomami

background image

7 %

(

 

 

)

+

,

 

)

-

.

, /

$

ττττ %

0

.

-

)

1

.

, /

ττττ

)1

$

%

)

.

background image

7 %

2

)

3 8 5 9 5
: 8 3 9 :

334;
334;

<;;;3=

{{{{3;33}}}}

- 5

: 8 4 934

34 8 3 9 34
4> 8 3 9 4>

333
333
333

{{{{33;}}}}
{{{{433}}}}

{{{{543}}}}

- 4

> 8 5 9 34

33;

{{{{333}}}}

- 3

/

2

background image

7 %

2

)

background image

7 %

2

 

umocnienie – zjawisko wzrostu twardo ci i wytrzymało ci oraz pogorszenia plastyczno ci

jest wynikiem spi trze dyslokacji przed przeszkodami (granice ziaren, wydzielenia innych

faz, krzy owanie si aktywnych systemów po lizgu, itd.)

background image

7 %

3

,

)

)

)1

.

,

#

 

)

)

)

.

,

 

1

)

 

.

,

.

,

4

)1

)

) .

wytrzymało  teoretyczna 

kryształy włoskowe

zakres g sto ci dyslokacji w metalach

i stopach technicznych

zakres warto ci R

e

metali i stopów 

technicznych

G sto  dyslokacji, 

[m/mm

3

]

R

e

1

0

6

1

1

0

3

G sto  dyslokacji 10 m/mm

3

jest typowa dla 

bardzo mi kkich metali.

Warto  ta mo e wzrosn  

do 10

6

m/ mm

3

wskutek silnego ich odkształcenia.

background image

7 %

,

5

+

model  rozmieszczenia 

atomów na granicy ziarna

Granice ziaren s  to wewn trzne powierzchnie graniczne oddzielaj ce 

dwa kryształy o takim samym składzie chemicznym, 

ró ni ce si  tylko orientacj  krystalograficzn

background image

7 %

,

4

Granica szerokok towa

(k t dezorientacji >15

o

)

Granica w skok towa

(k t dezorientacji <15

o

)

Schemat zakłócenia budowy

metalu krystalicznej na granicy ziarn metalu

Pod wzgl dem stopnia dezorientacji, granice dzielimy na granice szeroko- i w skok towe

Granice takie interpretuje si  na podstawie 

teorii dyslokacji jako pionowe uszeregowanie 

jednoimiennych dyslokacji kraw dziowych 

background image

7 %

,

4

Granice nachylone (daszkowe)

Granice skr tne

oddzielaj ce ziarna maj  wspólny kierunek 

krystalograficzny równoległy do granicy

oddzielaj ce ziarna maj  wspólny kierunek

krystalograficzny prostopadły do granicy 

Pod wzgl dem budowy ziarna, granice dzielimy na granice daszkowe i skr tne

background image

7 %

,

4

"

Granice bli niacze s  szczególnym przypadkiem granic szerokok towych

Mechanizm powstawania bli niaków odkształcenia

0 "

 

 

6

&

$

1%-

&

$

1 '25 %-

&

 .

Bli niaki w ziarnach miedzi

okre lona orientacja obu ziaren,
idealne sprz enie sieci wzdłu tej samej płaszczyzny, 
bardzo mała energia granicy (łatwo

powstawania), 

background image

7 %

,

4

półkoherentna

z dyslokacjami

niekoherentna

koherentna

na granicy nie ma nieprawidłowo ci

w rozmieszczeniu atomów

(bardzo mała energia granicy),

liczne zaburzenia 

w prawidłowym rozmieszczeniu 

atomów

(budowa podobna

do szerokok towych granic ziaren)

(wysoka energia granicy)

niezgodno  stałych sieciowych

wi ksza ni    10%)

Granice mi dzyfazowe s  to powierzchnie graniczne oddzielaj ce kryształy ró ni ce si  nie tylko orientacj  

krystalograficzn  i typem sieci krystalicznej  ale równie  składem chemicznym. 

Granice takie wyst puj  w materiałach wielofazowych.

background image

?

,

%

background image

?

,

%

background image

7 %

,

0

b

b

d

d

Bł dami uło enia

nazywamy zaburzenia w sekwencji uło enia płaszczyzn najg stszego wypełnienia

background image

7 %

background image

7 %

background image

7 %

1 $*7# %

Bł dy uło enia w stali austenitycznej

W skok towa granica skr cona

W skok towa granica daszkowa

Blokowanie dyslokacji na wydzieleniach drugiej fazy

Płaszczyzny mi dzyatomowe w stopie niklu

background image

#

,

3

Umacnianie roztworowe

Umacnianie granicami ziaren

Umacnianie odkształceniowe

„Kontroluj c” rozmieszczenie defektów mo na umacnia  materiały!

background image

%

Szkła i polimery

wykazuj uporz dkowanie bliskiego zasi gu tzn.  e zarówno liczba jak i wzajemne poło enie 

najbli szych s siadów  rednio s  jednakowe dla ka dej molekuły

nie wykazuj uporz dkowania dalekiego zasi gu

Stopie  uporz dkowania okre lany jest przez radialn  funkcj  rozkładu - g(r)

g(r) - prawdopodobie stwo znalezienia atomu w odległo ci mi dzy r a r+ r od  rodka atomu odniesienia

background image

*

%

,