Hvorfor er metaller formbare og duktile?

Lad os tegne en sammenligning med keramik, som – lige som metaller er generelt duktile – er generelt sprøde.

Bemærk først, at krystaller (og metaller og keramik er generelt polykrystallinske) kan deformeres gennem forskydningsbevægelse. En forskydning er en linjefejl, der bærer plasticitet gennem en krystal. Den klassiske analogi er at flytte et tæppe ved at sparke en rynke ned ad dets længde. Du behøver ikke at deformere hele krystallen på én gang; du skal bare feje en (eller mange) forskydninger gennem materialet og bryde et relativt lille antal obligationer ad gangen.

Her er en enkel illustration af en buet forskydning, der bærer forskydning gennem en krystal; passagen af forvridningen efterlader et nyt permanent trin:

Så dette er en meget bekvem måde at opnå permanent deformation på. Det er dog meget lettere at bryde disse bindinger i metaller end i keramik, fordi de metalliske bindinger i den førstnævnte er svagere end de ioniske / kovalente bindinger i sidstnævnte (som det fremgår af det faktum, at keramik generelt er ildfast, dvs. at de har høje smeltetemperaturer). Især tillader elektronernes delokaliserede natur i metaller, at dislokation let glider . Dette svarer til duktilitet / formbarhed. (De to udtryk er identiske for denne diskussion; de adskiller sig kun med hensyn til typen af belastningsforhold, der resulterer i let deformation.)

Derudover i metaller med en ansigt-centreret-kubisk krystallinsk struktur (tænk guld eller kobber, for eksempel), giver den strukturelle symmetri mange mulige glideplaner , langs hvilke forskydninger let kan spredes. Dette svarer til endnu større duktilitet / smidbarhed.

Her er en illustration af en ansigt-centreret-kubisk struktur; den tætte pakning af atomer på flere plan tillader forskydninger at hoppe kun korte afstande, hvilket i høj grad letter deres passage :

I modsætning hertil dislokationsbevægelse er så stærkt forhindret i keramik (fordi bindingerne er retningsbestemte og ladningerne er stift faste), at det kan tage mindre energi at blot bryde alle bindingerne på én gang, hvilket svarer til bulkbrud og skørhed.

En konsekvens af disse mikroskopiske forskelle mellem metaller og keramik er den måde, hvorpå de reagerer på revner eller mangler. En skarp revne frembringer en spændingskoncentration, hovedsagelig fordi spændingsfeltet skal dreje skarpt omkring det. I et metal er denne spændingskoncentration ikke ” meget af et problem — nogle forskydninger vil bevæge sig, hvilket resulterer i plastisk deformation og afstumpning af revnen ti s. Denne mulighed er meget mindre sandsynlig i en keramik på grund af hindringerne for forskydningsbevægelse. Det kan bare være lettere at bryde bindingerne permanent og danne en ny åben overflade i det tidligere højspændingsområde. Dette er mekanismen til spredning af revner, og hvis revnen fortsætter med at udbrede sig, får du bulkbrud.

Kommentarer

• Er metaller virkelig polykrystallinske? Hvad er så enkeltkrystaller?
• Næsten alt metal, som vi støder på, er polykrystallinsk.

Metaller er formbare og duktile på grund af metallisk binding. Metallisk binding er forskellig fra ionisk og kovalent binding. Metallisk binding er dens egen type binding. Metalliske bindinger beskrives med den moderne teori om bindinger ved at anvende schrodingerligningen på hvert atom og bringe atomerne tættere og tættere på at danne så mange bølgefunktioner som antallet af atomer. Der er bindinger og antistofbølgeformationer, der beskriver de mulige bølgefunktioner. Alle disse danner de mulige båndenergier. Bindinger inden i en krystalstruktur holder kun strukturen sammen, hvis den gennemsnitlige bundet energitilstand er lavere end isolerede tilstande. Metaller har en gennemsnitlig bundet energistruktur mindre end isolerede atomer. fermi-niveauet skal være kendt for at finde ud af, hvad der sker ved siden af valenselektronerne i et metal. Tabeller til dette energiniveau af forskellige metaller af interesse kan ses op. fermi-energiniveauet er den øverste energi tilstand af alle de parrede elektroner ved absolut nul. Ved absolut nul er alle elektroner inden i parret og fylder sekventielt de optagelige tilstande fra bundenergien til Fe rmi energi. Når et metal opvarmes, kan elektronerne bevæge sig til højere energitilstande helt til vakuumniveauet, som er det højest mulige antistof inden for strukturen. Efter vakuumniveauet skubbes en elektron ud af metallet.Fermi-energien er vigtig, fordi den mirakuløst er den gennemsnitlige elektronenergi inden for den metalliske struktur over det absolutte nul. Der er et ledningsbånd i metaller muliggjort, fordi alle orbitaler overlapper hinanden, og den ydre elektron har et meget lavt ioniseringsniveau. Ledningsbåndet er meget tæt på fermi energiniveauet. Meget lidt varme eller potentiel forskel er nødvendig for at bumpe elektronerne op til de højere ledningstilstander for energi for at bevæge sig inden i dens struktur. Forskellen mellem fermi-energien og ledningsbåndet er løst kendt som Band Gap. I ledere eksisterer Band Gap ikke rigtig på grund af orbitaler, der overlapper og deler en bevægelig elektron. Den orbitaloverlappende og bevægelige elektron skaber kontinuerligt energispektrum. Elektronerne får kontinuerligt tilladelse til at optage højere energitilstande. Grundlæggende er den bundet tilstand mellem to metal atomer er lavere end et enkelt atom, og et enkelt atom skal ionisere dets elektron for at danne bindingen. Hvis du er bekendt med et metals funktionsfunktion (Fermi energiniveau + foton energi til at skubbe elektron ud). ledningsbåndet er mellem dette punkt og fermi-niveauet, men i størrelsesordenen noget, der er lille nok, der gør det muligt for elektronen at bevæge sig rundt i strukturen meget let og aldrig tilhører et bestemt atom. Ledningsbåndet kan dog være lige på fermi-niveau. Kvantemekanisk er elektronerne i en metallisk struktur repræsenteret som vandrende bølger. De ved at danne en slags elektronsky i strukturen, der limer atomerne sammen med den coulombiske tiltrækning mellem atomerne ioniserede positive ionladning. Du kan visualisere kugler pænt stablet med perfekte lag og kubisk form med en type sky, der holder den sammen. Når elektroner bevæger sig, skaber de et hul, og dette er et nyt sted for en anden elektron. Elektronerne bevæger sig tilfældigt eller ved tilførselsenergi. I gennemsnit er der altid nok elektronladning til at holde ting sammen, fordi der tilfældigt er et bestemt gennemsnit for at ønske at udfylde hullet eller den eksterne energi, elektronerne har en retning ind i hullet fra en kilde længere tilbage. Bøjelighed og smidbarhed er et resultat af den metalliske binding. Fordi elektronerne kan bevæge sig let nok, kan de metalliske atomer manipuleres for at blive forskudt på den ønskede måde, og intet begrænser elektronskyen i at bevæge sig tilbage omkring de forskudte atomer. Bøjelighed og smidbarhed synes at være mulig på grund af dette fænomen. Styrken af materialet har at gøre med justeringen af de krystallignende formationer. dvs. et metal ønsker at starte i en hel krystallignende formation. Derfor bliver en blødgjort metel blød under den langsomme køleproces. Atomer forsøger at forme sig til en perfekt krystal. Men da den opvarmes og afkøles hurtigt nok, bryder denne krystalstruktur op i underkrystalstrukturer (en struktur dannet af mere end en mindre krystalstruktur). Sandsynligvis på grund af termiske dynamiske principper. Måske sker bølgerne i elektronskyen fra varmere til køligere regioner på iboende måder til at skabe tilstrækkelig kraft langs bestemte pletter til at skifte ting rundt i forhold til underkrystallernes kollektive styrke? Uanset denne proces giver hele metallet en stærkere og mere skør effekt. Bagefter kan elektronerne glide rundt om det hærdede stål som før, men stierne har ændret sig. For formbarhed og kanalerbarhed beregnes sandsynligvis gennemsnittet af krystalstrukturens tilstand for at holde den samme oprindelige krystaldannelse, men niveauerne klemmer sig ind (dvs. de nedre / øverste / adjaceant niveauer). Elektronerne flyder bare ind i den klemte struktur, som om intet er anderledes under og efter processen. Men tryk skaber varme, og denne varme tvinger atomet til at forblive i højere energitilstande (i gennemsnit). De højere tilstande er anti-bundne tilstande, så der er ingen lim, der holder atomet til dets naboer, indtil kraften fjernes. Når et metal opvarmes, øges antallet af anti-bundet elektronenergi og er lettere at manipulere stålet til et ønsket form, fordi elektronerne ønsker at flyde ind i køligere regioner. Så mængden af lim, der holder den opvarmede struktur tilbage, falder proportionalt med mængden af varme. Smidbarhed og smidbarhed lyder meget det samme, fordi de involverer de samme mængder opvarmning eller køling.

Kommentarer

• Jeg læste hele dit svar, jeg ser, at det har to antipatier. Mens svaret fra kemomekanik ovenfor er bedre, da det er klarere, kortere og bedre organiseret, jeg synes, dit svar ikke er dårligt. Problemet er, at det er denne grimme tekstblok, at der altid er plads hvert par sætninger for at gøre det mere læsbart. Som jeg sagde (skrevet) før, var der god viden i dit indlæg, hvis du havde formået at levere disse oplysninger i pænere ” pakke ” tror jeg, du ville få opstemmer i stedet for nedstemme.
• Kan du tilføje nogle afsnitformatering?