Struktura

przestrzenna

kryształów metali

i stopów

Biszczanik Katarzyna
Czarnota Agnieszka
Rogala Katarzyna
Sobolewska Rebeka

Ogólne informacje o metalach

szlachetne

• odporność na korozję w ekstremalnych warunkach

(j. ustna)

• złoto, pallad, platyna

• drogie

nieszlachetne

• tytan, nikiel, miedź, srebro, cynk

• niezbędne składniki stopów dentystycznych

• wytrzymałe, odporne na ścieranie, elastyczne

• w czystej formie bardziej podatne na korozję w j.

ustnej

Krystalografia metali

•

krystalografia

– opis budowy ciał stałych

•

kryształ

– ciało stałe, anizotropowe, w którym

atomy ułożone są w równych powtarzających
się odstępach, w co najmniej trzech
nierównoległych kierunkach

Struktura krystaliczna azotku
tytanu

Każda prosta łącząca środki dwóch atomów w krysztale
nazywana jest

prostą sieciową

. Najbliższa odległość

atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej nosi
nazwę podstawowego periodu identyczności lub

parametru sieci

. Przesunięcie, tzw. translacja prostej

sieciowej, o period identyczności w kierunku różnym od
kierunku prostej powoduje znalezienie

płaszczyzny

sieciowej

. Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w

kierunku do niej nierównoległym tworzy

sieć

przestrzenną

.

Elementami sieci przestrzennej są zat
em:

•

płaszczyzny sieciowe

•

proste sieciowe

, będące śladami

przecięcia płaszczyzn sieciowych,

•

węzły sieci

, stanowiące punkty przecięcia

prostych sieciowych; węzły sieci
prymitywnej odpowiadają położeniu
środków atomów kryształu.

Elementarna komórka sieciowa

Trzy rodziny równoległych płaszczyzn sieciowych dzielą sieć
przestrzenną na identyczne równoległościany o
parametrach a, b i c, stanowiących podstawowe periody
identyczności (parametry) sieci. Równoległościany te są
nazwane

elementarnymi komórkami sieciowymi

i w pełni

charakteryzują dany kryształ. Komórka sieciowa może być
opisana przez jej podstawowe periody identyczności
(parametry sieci) a, b i c oraz kąty między nimi zawarte .

Symetria kryształu

Kryształ
charakteryzuje się
symetrycznym
ułożeniem elementów
sieci przestrzennej.
Proste elementy
symetrii jakie mogą
występować w
kryształach to

środek

,

osie

i

płaszczyzny

symetrii

.

Typy sieci przestrzennej

W zależności od tego czy elementarne
komórki sieciowe mają atomy wyłącznie na
narożach (komórki prymitywne), czy także
wewnątrz lub na ścianach bocznych
(komórki złożone), w ramach układów
krystalograficznych występuje

14 typów

sieci przestrzennej Bravais’go.

Schematy rodzajów sieci
przestrzennych

Schematy rodzajów sieci
przestrzennych

Schematy rodzajów sieci
przestrzennych

Schematy rodzajów sieci
przestrzennych

Pełzanie metali

Pełzanie metali przy
rozciąganiu – powolne, ciągłe
plastyczne wydłużanie się
metalu pod

stałym

obciążeniem

i przy

stałej

temperaturze.

Metale podstawowe stosowane w

protetyce:

-

Złoto

- Platyna
- Pallad

Metale pomocnicze stosowane w

protetyce:

- Nikiel

- Miedź

- Srebro

- Cynk

Złoto

– czyste charakteryzuje się ładnym, żółtym
połyskiem
- jest bardzo miękkie, kowalne, ciągliwe
- posiada dużą odporność chemiczną
- używa się go prawie wyłącznie w stopach z
innymi metalami



czyste złoto bywa używane do lutowania platyny

oraz jako folia złota do wypalania porcelany



do koron i płyt podstawowych używa się

22-karatowego złota, klamer i łuków – 18,
do wkładów koronowych 20-22- karatowego.

Platyna



duża odporność na działanie czynników

chemicznych



metal miękki, daje się łatwo kuć i walcować



jest barwy srebrzystobiałej



z platyny można wykonywać mosty i korony,

czystą platynę w postaci folii stosuje się na
czapeczki do wypalania wysoko topliwej masy
ceramicznej



platyna w postaci drutu oporowego ma

zastosowanie w elementach grzejnych pieców do
wypalania dentystycznej masy ceramicznej

Pallad



barwa palladu jest srebrzysta



niezbyt twardy, plastyczny, ciągliwy



ma własności wchłaniania wodoru



posiada wybitne właściwości odbarwiające stopy



jego stop ze srebrem (9:1) służy do wyrobu

ćwieczków do licówek porcelanowych

Nikiel



metal o silnym srebrzystobiałym połysku,

twardy, ciągliwy



odporny na działanie alkaliów, kwasów

organicznych
i wody



nadaje stopom odpowiednie właściwości

mechaniczne oraz zwiększa obojętność
chemiczną



jego stop służy do wyrobu drutu na uzwojenia

grzejne i oporowe pieców elektrycznych



dawniej używany był do powlekania narzędzi

żelaznych

Miedź



metal ciężki, kowalny, barwy czerwonej



daje się łatwo topić, stopiona charakteryzuje się

dużą płynnością



jako czysta miedź nie ma zastosowania w

protetyce jako materiał podstawowy



z czystej miedzi wyrabia się osłony do elektrod

węglowych, pierścienie miedziane do wycisków
pojedynczych zębów oraz modele metodą
galwanoplastyczną

Srebro



czyste jest barwy białej o silnym połysku



twarde, wytrzymałe, łatwe w obróbce

chemicznej i termicznej, ciągliwe, dające się
łatwo kuć i walcować



odporne na działanie tlenu z powietrza



ze względu na to, że sole srebra są trujące w

Polsce zakazane jest wykonywanie prac
dentystycznych ze srebra



może być stosowane jeśli nie będzie się stykało

bezpośrednio z płynami środowiska jamy ustnej



stosuje się do wykonywania wkładów

korzeniowych do koron akrylowych

Cynk



metal o niebieskawym połysku



kruchy, musi być ogrzany do temp. 100-150˚

przed obróbką, wtedy staje się kowalny i ciągliwy



metal chemiczni czynny



w czystej postaci nie jest stosowany w protetyce



tlenek cynkowy używany jest jako biała farba,

jest składnikiem wszystkich cementów
dentystycznych



z jego stopów wykonuje się tłocznie i

przeciwtłocznie

Stopy metali



Czyste metale są w technice stosowane

stosunkowo rzadko. Powszechne zastosowanie

znajdują stopy metali – w wielu przypadkach

wykazujące lepsze własności niż czyste
metale.



Stopy są substancjami dwu- lub

wieloskładnikowymi, makroskopowo
wykazującymi własności metaliczne. Co
najmniej jeden z głownych składnikow stopu
jest



metalem. Składnikami stopow są substancje

proste, np. pierwiastki, lub złożone –



np. związki nie ulegające przemianom.

Stopy mogą mieć strukturę jedno- lub wielofazową. Faza

to jednorodna część stopu, oddzielona od pozostałej
jego części granicą międzyfazową.

Poszczegolne fazy stopu zwykle dość znacznie rożnią się

między sobą własnościami.

Liczba, rodzaj i własności faz są uzależnione od składu

chemicznego stopu.

Zbior faz znajdujących się w stanie rownowagi

termodynamicznej jest nazywany układem.

Stopy metali są wytwarzane głownie przez topienie i

krystalizację ze stanu ciekłego. W wyniku tych
procesow z cieczy, będącej zwykle roztworem
wszystkich składnikow stopu, mogą powstać:



roztwory stałe,



fazy międzymetaliczne,



mieszaniny faz.

Roztwory stałe

Roztwor stały stanowi jednorodną fazę o

wiązaniu metalicznym i strukturze
krystalicznej o własnościach typowo
metalicznych.

Metal, którego atomy występują w sieci w

przewadze, jest rozpuszczalnikiem. Drugi
składnik jest nazywany pierwiastkiem
rozpuszczonym.

W przypadku gdy atomy pierwiastka rozpuszczonego są

usytuowane w sposób nieuporządkowany w
przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu
rozpuszczalnika, roztwór stały jest nazywany
roztworem stałym międzywęzłowym .

Atomy pierwiastka rozpuszczonego B powodują

ekspansję sieci rozpuszczalnika. Ponieważ w sieciach
A1, A2 i A3 przestrzenie

międzywęzłowe są niewielkie, mieszczą się w nich atomy

pierwiastków o niewielkich średnicach atomowych.

Roztwory te tworzą zwykle metale przejściowe
– w tym żelazo z niemetalami, głownie węglem, azotem,

wodorem

i borem. Roztwory stałe międzywęzłowe są roztworami

granicznymi, a rozpuszczalność graniczna zmienia się
zwykle

wraz ze zmianą temperatury.

Gdy atomy metalu rozpuszczonego zajmują przypadkowo

dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu
rozpuszczalnika,

roztwór stały jest nazywany roztworem stałym

różnowęzłowym.

Obecność atomow innego pierwiastka w sieci

krystalicznej rozpuszczalnika, w zależności od stosunku
średnic atomów

rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego, powoduje

odkształcenie sieci – ekspansję lub kontrakcję.

Roztwory stałe rożnowęzłowe mogą być ciągłe lub

graniczne. W roztworach stałych ciągłych liczba
węzłów sieci krystalicznej rozpuszczalnika zajętych
przez atomy drugiego składnika rośnie wraz ze
zwiększaniem się stężenia składnika rozpuszczonego

– od struktury czystego metalu A do struktury metalu B.

W niektórych roztworach stałych rożnowęzłowych o

określonych stosunkach stężenia atomowego
składników metalicznych

A i B, np. w wyniku wolnego chłodzenia lub wygrzewania

w stałej temperaturze, nieuporządkowany rozkład
obydwu składników

zmienia się na uporządkowany. Roztwór stały,

charakteryzujący się prawidłowym rozkładem atomów
obydwu składników w sieci, jest nazywany
nadstrukturą i powstaje w wyniku przemiany:

nieporządek porządek

Ponieważ przemiana ta jest odwracalna, przy nagrzaniu

do określonej temperatury następuje zanik
nadstruktury.

Fazy międzymetaliczne

Fazy międzymetaliczne są połączeniami metali lub metali z

niemetalami i wykazują własności metaliczne ze względu na

częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego

między atomami wchodzącymi w skład fazy.

Charakterystyczne cechy faz międzymetalicznych opisują

cztery zasady:



struktura krystaliczna faz międzymetalicznych rożni się od

struktury każdego ze składników,



atomy każdego ze składników wykazują uporządkowane

rozmieszczenie w sieci krystalicznej,



w oddziaływaniach między atomami występuje przewaga

wiązania metalicznego,



wzajemne stosunki ilościowe atomów składników rzadko

odpowiadają wartościowościom chemicznym pierwiastków,

jakie wykazują one w związkach chemicznych, chociaż

fazom można przypisać wzory podobne do wzorów związków

chemicznych.

Fazy międzymetaliczne występują przy ściśle

określonych stężeniach składników stopu,
chociaż mogą występować również w pewnym
zakresie stężeń

i tworzyć roztwory stałe wtórne.
Roztwory te mogą być:



różnowęzłowe,



międzywęzłowe,



pustowęzłowe.

W roztworach pustowęzłowych występuje

nadmiar atomów jednego ze składników, a w
węzłach sieci krystalicznej, które miałyby być
obsadzone atomami

drugiego składnika, powstają wakanse.

Fazy międzywęzłowe o strukturach prostych mają

własności metaliczne i krystalizują w sieciach

regularnej ściennie centrowanej i heksagonalnej

zwartej, a także regularnej przestrzennie

centrowanej i heksagonalnej prostej. Sieć

krystaliczna faz międzywęzłowych o strukturach

prostych jest przy tym zwykle rożna od sieci

czystego metalu.

Węzły sieci krystalicznej tych faz są zajęte przez

atomy ktoregoś metalu przejściowego M, a w

przestrzeniach międzywęzłowych są usytuowane

atomy niemetali X o małym promieniu atomowym,

tj. atomy węgla, azotu, wodoru lub boru.

Do faz międzywęzłowych o strukturach prostych są

więc zaliczane wodorki, niektore borki, a także

niektore węgliki i azotki metali przejściowych.

Fazy międzywęzłowe o strukturach złożonych

tworzone przez metale przejściowe i
niemetale zwykle mają znaczną liczbę atomów
w komórce strukturalnej.

Fazy te cechują się również własnościami

metalicznymi, są jednak mniej trwałe od faz
międzywęzłowych prostych.

Struktury złożone wykazuje większość borków

oraz niektóre azotki i węgliki żelaza, kobaltu,
niklu, manganu i chromu, a także węgliki
podwójne.

Mieszaniny faz

Stanem stopu, występującym bardzo często, jest

mieszanina faz. O mieszaninie faz mówi się wtedy,
gdy w stopie znajdują się co najmniej dwie fazy w
stanie rozdrobnienia, oddzielone od siebie granicami
międzyfazowymi.

Każda faza ma przy tym określone, właściwe sobie,

skład chemiczny, strukturę krystaliczną i własności.

Mieszaniny faz mają zwykle lepsze własności

wytrzymałościowe i mniejszą plastyczność od
poszczególnych faz.

Eutektyk

– mieszanina dwóch lub więcej faz

krystalicznych o określonym składzie, która
wydziela się z roztworów ciekłych lub stopów w
określonej temperaturze, zwanej temperaturą
eutektyczną. Jest ona na ogół znacznie niższa
od temperatury krzepnięcia czystych
składników. Kryształy eutektyku są czystymi
kryształami składników lub roztworami stałymi o
różnych składach.

Ziarna i struktura krystaliczna

stopów

Podczas tężenia roztopionego stopu

dochodzi do formowania i powiększania
kryształów. Stop metalu oglądany pod
mikroskopem zawiera widoczne kryształy,
nazywane w metalurgii także ziarnami.
Wielkość ziaren stanowi ważną cechę stopu,
szczególne zaś znaczenie maja kryształy małe.
Aby zmniejszyć wielkość kryształów w stopach
złota, dodaje się często specjalne składniki
uszlachetniające. Pierwiastkami o takich
właściwościach są iryt i ruten.

Struktura krystaliczna stopów, bardzo złożona , zależy

przede wszystkim od składu. W stopach o dużej
zawartości metali nieszlachetnych dominują ziarna
krystaliczne o większej średnicy; w takich stopach nie
można już stosowa składników obniżających średnicę
kryształu.

Podział stopów

•

Wysoko szlachetne

•

Szlachetne

•

Nieszlachetne

Wysoko Szlachetne

Stopy takie muszą zawiera przynajmniej

60% metali szlachetnych, w tym przynajmniej
40% złota. Do tego typu stopów należą:

•

Złoto-platyna (uzupełnienia złożone
metalowo-porcelanowe, odlewy pełne
metalowe),

•

Złoto-miedź-srebro (odlewy pełne
metalowe).

Szlachetne

W takich stopach zawartość metali

szlachetnych powinna wynosić co najmniej
25%, z tym że nie określono ilości złota, która
powinna znajdować się w stopie. Do tego typu
stopów należą:

•

Srebro-złoto-miedź (odlewy pełne
metalowe),

•

Pallad-miedź (odlewy pełne metalowe,
uzupełnienia złożone metalowo-
porcelanowe),

•

Srebro-pallad (odlewy pełne metalowe,
uzupełnienia złożone metalowo-
porcelanowe).

Nieszlachetne

Do trzeciej grupy należą stopy zawierające

w większości metale nieszlachetne; metali
szlachetnych jest w nim mniej niż 25%. Należą
do nich:

•

Stopy na bazie niklu (odlewy pełne
metalowe, protezy częściowe),

•

Stopy na bazie kobaltu (prefabrykowane
elementy poddawane obróbce plastycznej),

•

Stopy na bazie tytanu ( protezy częściowe,
implanty).

Cechy stopów:

•

Przedział topnienia,

•

Gęstość,

•

Wytrzymałość,

•

Twardość,

•

Biokompatybilność.

Przedział topnienia

Stopy matali nie ulegają topnieniu w

konkretnej temperaturze, lecz w ściśle
określonym przedziale topnienia, np. 950-
1000○C. Temperatura, w której stop w całości
przechodzi w postać płynną, nazywa się
„likwidusem”, podczas gdy temperatura, w
której stop podczas ochładzania przechodzi w
całości w postać stała, nosi miano „solidusa”.

Gęstość

Gęstość stopu oznacza ilość stopu, która

zajmuje objętość 1 cm³. Gęstość stopów
dentystycznych mieści się w przedziale od 4,5
g/cm³ (stopy tytanowe) do przeszło 18 g/cm³
(niektóre stopy wysoko szlachetne). Stopy o
dużej gęstości są łatwiejsze do odlewania,
ponieważ grawitacja przyspiesza napływanie
stopu do formy odlewniczej.

Wytrzymałość stopów

Elementy wykonane ze stopów

dentystycznych musza mieć odpowiednią
wytrzymałość, aby nie doszło do zmiany ich
kształtu w jamie ustnej.

Twardość stopu

Jest cechą umożliwiającą jego polerowanie.

Twardość stopów ma związek z granica
plastyczności. Stop o wyraźnej granicy
plastyczności jest twardy i zwykle trudniejszy
do polerowania niż stop o słabiej granicy
plastyczności. Jednostkę twardości stanowi
kg/mm².

Biokompatybilność

Biokompatybilność stopów dentystycznych

wiąże się przede wszystkim z nich podatnością
na korozję. Efektem korozji, w trakcie której
dochodzi do uwalniania elementów stopu,
mogą by niepożądane reakcje tkanek jamy
ustnej, np. nieprzyjemny smak, podrażnienie
czy alergia. Z dużym prawdopodobieństwem
można stwierdzić, że stopy wysoko szlachetne
uwalniają mniej elementów w procesie korozji
ze względu na dużą zawartość pierwiastków
szlachetnych.

Dziękujemy za uwagę