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):

1. 
   
   
   Prosta sieciowa łączy środki dwóch atomów

2. Parametr sieciowy - najbliższa odległość między atomami.

3. 
   
   
   
   
   
   
   
   Płaszczyzna sieciowa - przesunięcie prostej sieciowej w kierunku różnym od tej prostej.

4. 
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   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:

1. Jednoskośne

• Prymitywne

• Centrowane na podstawach

Trójskośne

Rombowe

• Prymitywne

• Centrowana na podstawach

• Przestrzenie centrowane

• Ściennie centrowane

4. Tetragonalne

• Prymitywne

• Przestrzennie centrowane

5. Romboedryczne

6. Heksagonalne

7. 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:

1. Błąd ułożenia - zaburzona sekwencja ułożenia płaszczyzn sieciowych, np. ABCBCA a nie ABCABC lub dodatkowa płaszczyzna ABCBABC. Powstają podczas krystalizacji.

2. 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:

1. 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

2. Roztwór stały podstawowy, - gdy rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składnikiem stopu

3. Roztwór stały wtórny - gdy rozpuszczalnikiem jest faza międzykrystaliczna

4. Roztwór stały ciągły - jeden składnik możemy zamienić w 100% innym składnikiem

5. Roztwór stały graniczny - możemy jedynie w pewnym zakresie rozpuścić jeden pierwiastek w drugim

6. Fazy międzymetaliczne - powstają wskutek połączenia dwóch metali lub pierwiastka metalicznego z niemetalicznym. Mają uporządkowany rozkład atomów. Powodują umocnienie materiałów.
   

26

a

b

c

---