awkaGrupa 3 |
|
09.05.2011 |
WIMiIP metalurgia |
|
|
Struktura materiałów
Typy wiązań atomowych
Pierwotne (silne)
Jonowe - za wiązanie jonowe uważa się utrzymywanie się razem jonów o przeciwnych ładunkach dzięki za wszystko siłom przyciągania elektrostatycznego. Związki z wiązaniem jonowym zdolne są do dysocjacji elektrolitycznej. Roztwory i stopy z wiązaniem jonowym przewodzą prąd elektryczny. Związki o takim wiązaniu tworzą regularne sieci krystaliczne.
Kowalencyjne - tworzenie takiego wiązania polega na silnym powiązaniu atomów w cząsteczkę wspólnymi parami elektronowymi. Substancje zbudowane z atomów połączonych wiązaniami kowalencyjnymi nie przewodzą prądu elektrycznego, reagują powoli z innymi związkami (ponieważ konieczne jest dostarczenie dużej ilości energii).
Metaliczne - powstaje w wyniku elektrostatycznego oddziaływania kationów metalu w węzłach sieci krystalicznej z gazem elektronowym elektronów walencyjnych. Substancje wykazują przewodnictwo cieplne, elektryczne oraz plastyczność.
Wtórne (słabe)
Van der Waalsa- są to oddziaływania między trwałym i indukowanym (wzbudzonym) dipolem. W cząsteczkach, które nie posiadają trwałego momentu dipolowego, może on być wzbudzany przez cząsteczki z trwałym momentem; następnie taki wzbudzony dipol i trwały dipol oddziałują na siebie podobnie jak dwa trwałe dipole, tyle że znacznie słabiej. W cząsteczkach bez trwałego momentu dipolowego występują natomiast stochastyczne fluktuacje ich chmur elektronowych, powodujące powstawanie chwilowych momentów dipolowych. Cząsteczka posiadająca chwilowy moment dipolowy może go wzbudzić w cząsteczce sąsiadującej, wskutek czego obie cząsteczki mogą się nawzajem chwilowo przyciągać lub odpychać.
Struktura krystaliczna i sposób jej opisu.
Kryształy to większość ciał stałych, między innymi metale, które charakteryzują się regularnym rozmieszczeniem składowych elementów (atomów, jonów, molekuł). Regularny układ atomów tworzy siec przestrzenną. Kryształy wykazują anizotropię.
Komórka elementarna - w krystalografii - najmniejsza, powtarzalna część struktury kryształu, zawierająca wszystkie rodzaje cząsteczek, jonów i atomów, które tworzą określoną sieć krystaliczną. Komórka elementarna powtarza się we wszystkich trzech kierunkach, tworząc zamknięta sieć przestrzenną, której główną cechą jest symetria.
Sieci przestrzenne opisane są przez siedem układów krystalograficznych:
Układ |
Jednostki osi |
Kąty między osiami |
Przykłady występowania |
regularny |
a = b = c |
α = β = γ = 90° |
sól kamienna, diament |
tetragonalny |
a = b ≠ c |
α = β = γ = 90° |
cyrkon, |
rombowy |
a ≠ b ≠ c ≠ a |
α = β = γ = 90° |
Siarka, topaz |
jednoskośny |
a ≠ b ≠ c ≠ a |
α = β = 90°; γ ≠ 90° |
Gips, mika |
trójskośny |
a ≠ b ≠ c ≠ a |
α ≠ β ≠ γ ≠ α |
amazonit |
heksagonalny |
a = b ≠ c |
α = β = 90°; γ = 120° |
Beryl, grafit |
trygonalny |
a = b ≠ c |
α = β = 90°; γ = 120° |
Korund, kwarc |
Defekty sieci krystalicznej
Budowa rzeczywista ciał krystalicznych znacznie odbiega od idealnego wzorca sieci krystalicznej. Wszelkie odstępstwa w ciałach poli- i monokrystalicznych od idealnej sieci krystalicznej nazywa się defektami.
Grupy defektów sieci krystalicznej:
PUNKTOWE:
Wakancja jest defektem powstałym w wyniku nieobsadzenia węzła sieci przez atom .
Atom międzywęzłowy jest to defekt, który polega na tym, że w sieci zbudowanej z identycznych atomów lub o zbliżonych średnicach jeden z atomów osnowy znajduje się między węzłami sieci
Atomy substytucyjne mają średnice atomowe zbliżone do atomów osnowy i dlatego mogą zastępować je w węzłach sieci.
LINIOWE:
Dyslokację krawędziową wywołuje obecność w przestrzennej sieci krystaliczne dodatkowej półpłaszczyzny obsadzonej atomami, które krawędź stanowi dowolna linia brzegowa, nazywana linią dyslokacji.
Dyslokacja śrubowa wyznacza granicę między przesuniętą i nieprzesuniętą częścią kryształu. Granica ta przebiega równolegle do kierunku poślizgu a nie prostopadle, jak to ma miejsce w przypadku dyslokacji krawędziowej.
POWIERZCHNIOWE:
Granice ziaren są to wewnętrzne powierzchnie graniczne oddzielające dwa kryształy o takim samym składzie chemicznym, różniące się tylko orientacją krystalograficzną.
Granice międzyfazowe są to powierzchnie graniczne oddzielające kryształy różniące się nie tylko orientacją krystalograficzną i typem sieci krystalicznej ale również najczęściej składem chemicznym. Przykładem takich defektów jest granica między ferrytem i cementytem w perlicie
Błędami ułożenia nazywamy zaburzenia w sekwencji ułożenia płaszczyzn najgęstszego wypełnienia, występujące najczęściej w metalach o sieci A1 i A3.
Granice bliźniacze tworzą się przy ściśle określonej dezorientacji, takiej że granica (płaszczyzna bliźniacza) jest symetrycznie nachylona do określonej płaszczyzny krystalograficznej w obydwóch ziarnach.
Granice antyfazowe to granice występujące w roztworach uporządkowanych, są to granice obszarów różnego uporządkowania.
Polimorfizm (na przykładzie żelaza)
Polimorfizm to zjawisko występowania tego samego związku chemicznego w dwóch lub więcej odmianach różniących się postacią krystaliczną i strukturą sieci przestrzennej. W przypadku pierwiastków zjawisko to nazywamy alotropią.
Żelazo występuje w trzech odmianach alotropowych
Żelazo α (ferryt Fα) trwałe do temperatury 912°C, siec krystaliczna typu A2, wewnętrznie centrowana
Żelazo γ (austenit A) odmiana trwała w zakresie temperatur 912°C-1394°C, sieć krystaliczna typu A1, ściennie centrowana
Żelazo δ (ferryt Fδ), istnieje w temperaturze 1394°C-1538°C, sieć krystaliczna to A2
Przesycony roztwór węgla w żelazie α to martenzyt, sieć tetragonalna.
Materiały inżynierskie
Metale - pierwiastki chemiczne które charakteryzują się obecnością w sieci krystalicznej elektronów swobodnych. Wykazują dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, plastyczność i kowalność. Miedzy atomami występują wiązania metaliczne
Tworzywa ceramiczne odznaczają się przede wszystkim odpornością na działanie wysokich temperatur i czynników chemicznych, dobrymi właściwościami mechanicznymi oraz twardością; wadą ich jest kruchość, która uniemożliwia obróbkę mechaniczną wyrobów i utrudnia łączenie materiałów ceramicznych ze sobą lub z innymi materiałami. Miedzy atomami występują wiązania kowalencyjne i jonowe
Polimery to substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami. Tworzywa polimerowe cechuje wysoka kruchość oraz własności izolacyjne. Miedzy atomami występują wiązania kowalencyjne i wtórne.
Kompozyty materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach. Jednymi z najczęściej stosowanych komponentów konstrukcyjnych są silne włókna takie jak włókno szklane, kwarc, azbest, kevlar czy włókna węglowe dając materiałowi dużą odporność na rozciąganie. Do najczęściej stosowanych lepiszczy zaliczają się żywice syntetyczne oparte na poliestrach, polieterach (epoksydach), poliuretanach i żywicach silikonowych.