Warum sind Metalle formbar und duktil?

Lassen Sie uns einen Vergleich mit Keramik ziehen, die – genauso Metalle sind im Allgemeinen duktil – im Allgemeinen spröde.

Beachten Sie zunächst, dass sich Kristalle (und Metalle und Keramiken sind im Allgemeinen polykristallin) durch Versetzungsbewegung verformen können. Eine Versetzung ist ein Linienfehler, der die Plastizität durch einen Kristall trägt. Die klassische Analogie besteht darin, einen Teppich zu bewegen, indem eine Falte über seine Länge getreten wird. Sie müssen nicht den gesamten Kristall auf einmal verformen. Sie müssen nur eine (oder mehrere) Versetzungen durch das Material streichen und dabei eine relativ kleine Anzahl von Bindungen gleichzeitig aufbrechen.

Hier ist eine einfache Darstellung einer gekrümmten Versetzung, die Scherung durch einen Kristall trägt; der Durchgang der Versetzung hinterlässt einen neuen permanenten Schritt:

Dies ist also ein sehr bequemer Weg, um eine dauerhafte Verformung zu erreichen. Es ist jedoch viel einfacher, diese Bindungen in Metallen als in Keramik aufzubrechen, da die Metallbindungen in ersteren schwächer sind als die ionisch / kovalenten Bindungen in der letztere (wie durch die Tatsache belegt, dass Keramiken im Allgemeinen feuerfest sind, dh sie haben hohe Schmelztemperaturen). Insbesondere die delokalisierte Natur der Elektronen in Metallen ermöglicht es, dass die Versetzung leicht durchrutscht . Dies entspricht einer Duktilität / Formbarkeit. (Die beiden Begriffe sind für diese Diskussion identisch; sie unterscheiden sich nur in der Art der Belastungsbedingungen, die zu einer leichten Verformung führen.)

Zusätzlich bei Metallen mit einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur (denken Sie an Gold oder Kupfer zum Beispiel) bietet die strukturelle Symmetrie viele mögliche Gleitebenen , entlang derer sich Versetzungen leicht ausbreiten können. Dies entspricht einer noch größeren Duktilität / Formbarkeit.

Hier ist eine Darstellung einer flächenzentrierten kubischen Struktur: Die enge Packung von Atomen auf mehreren Ebenen ermöglicht es Versetzungen, nur kurze Entfernungen zu hüpfen, was ihren Durchgang erheblich erleichtert :

Im Gegensatz dazu Die Versetzungsbewegung wird in Keramiken so stark behindert (weil die Bindungen gerichtet sind und die Ladungen starr fixiert sind), dass möglicherweise weniger Energie benötigt wird, um einfach alle Bindungen auf einmal aufzubrechen, was einem Massenbruch und einer Sprödigkeit entspricht.

Eine Folge dieser mikroskopischen Unterschiede zwischen Metallen und Keramiken ist die Art und Weise, wie sie auf Risse oder Fehler reagieren. Ein scharfer Riss erzeugt eine Spannungskonzentration, im Wesentlichen weil sich das Spannungsfeld stark um ihn herum verdrehen muss. In einem Metall ist diese Spannungskonzentration nicht “ Es ist kein großes Problem – einige Versetzungen bewegen sich, was zu plastischer Verformung und Abstumpfen des Risses führt p. Diese Option ist in einer Keramik aufgrund der Hindernisse für die Versetzungsbewegung viel weniger wahrscheinlich. Es ist möglicherweise einfacher, die Bindungen dauerhaft aufzubrechen und im ehemals stark beanspruchten Bereich eine neue offene Oberfläche zu bilden. Dies ist der Mechanismus der Rissausbreitung. Wenn sich der Riss weiter ausbreitet, kommt es zu einem Massenbruch.

Kommentare

• Sind Metalle wirklich polykristallin? Was sind dann Einkristalle?
• Fast alles Metall, auf das wir stoßen, ist polykristallin.

Metalle sind aufgrund metallischer Bindungen formbar und duktil. Metallische Bindungen unterscheiden sich von ionischen und kovalenten Bindungen. Die metallische Bindung ist eine eigene Art der Bindung. Metallische Bindungen werden mit der modernen Bindungstheorie beschrieben, indem die Schrödinger-Gleichung auf jedes Atom angewendet wird und die Atome näher und näher gebracht werden, um so viele Wellenfunktionen wie die Anzahl der Atome zu bilden Bindungen und Antibond-Wellenformationen, die die möglichen Wellenfunktionen beschreiben. Alle diese bilden die möglichen Bandenergien. Bindungen innerhalb einer Kristallstruktur halten die Struktur nur zusammen, wenn der durchschnittliche Zustand der gebundenen Energie niedriger ist als der isolierte Zustand. Metalle haben eine niedrigere Struktur der gebundenen Energie Das Fermi-Niveau muss bekannt sein, um herauszufinden, was neben den Valenzelektronen in einem Metall passiert. Tabellen für dieses Energieniveau verschiedener interessierender Metalle können nachgeschlagen werden. Das Fermi-Energieniveau ist die höchste Energie Zustand aller gepaarten Elektronen bei absolutem Nullpunkt. Bei absolutem Nullpunkt sind alle darin enthaltenen Elektronen gepaart und füllen nacheinander die besetzbaren Zustände von der unteren Energie bis zum Fe rmi Energie. Wenn ein Metall erhitzt wird, können sich die Elektronen in höhere Energiezustände bis zum Vakuumniveau bewegen, das die höchstmögliche Antibindung innerhalb der Struktur darstellt. Nach dem Vakuumniveau wird ein Elektron aus dem Metall ausgestoßen.Die Fermi-Energie ist wichtig, weil sie auf wundersame Weise die durchschnittliche Elektronenenergie innerhalb der Metallstruktur über dem absoluten Nullpunkt ist. In Metallen wird ein Leitungsband ermöglicht, da sich alle Orbitale überlappen und das äußere Elektron einen sehr niedrigen Ionisationsgrad aufweist. Das Leitungsband liegt sehr nahe am Fermi-Energieniveau. Es wird sehr wenig Wärme oder Potentialdifferenz benötigt, um die Elektronen auf die höheren Leitungszustände der Energie zu bringen und sich innerhalb ihrer Struktur zu bewegen. Der Unterschied zwischen der Fermi-Energie und dem Leitungsband ist lose als Bandlücke bekannt. In Leitern existiert die Bandlücke nicht wirklich, da sich die Orbitale überlappen und ein bewegliches Elektron teilen. Das überlappende und bewegliche Elektron der Orbital erzeugt ein kontinuierliches Energiespektrum. Die Elektronen dürfen kontinuierlich höhere Energiezustände einnehmen. Grundsätzlich der gebundene Zustand zwischen zwei Metallen Atome sind niedriger als ein einzelnes Atom und ein einzelnes Atom muss sein Elektron ionisieren, um die Bindung zu bilden. Wenn Sie mit der Austrittsarbeit eines Metalls vertraut sind (Fermi-Energieniveau + Photonenenergie zum Auswerfen von Elektronen). Das Leitungsband liegt zwischen diesem Punkt und dem Fermi-Niveau, aber in der Größenordnung von etwas, das klein genug ist, damit sich das Elektron sehr leicht um die Struktur bewegen kann und niemals zu einem bestimmten Atom gehört. Das Leitungsband kann jedoch genau auf der Fermi-Ebene liegen. Quantenmechanisch werden die Elektronen innerhalb einer metallischen Struktur als Wanderwellen dargestellt. Es ist bekannt, dass sie innerhalb der Struktur eine Art Elektronenwolke bilden, die die Atome zusammen mit der Coulomb-Anziehungskraft zwischen den ionisierten positiven Ionenladungen der Atome zusammenklebt. Sie können Bälle visualisieren, die ordentlich mit perfekten Schichten und kubischer Form gestapelt sind, wobei eine Art Wolke sie zusammenhält. Wenn sich Elektronen bewegen, erzeugen sie ein Loch und dies ist ein neuer Ort für ein anderes Elektron. Die Elektronen bewegen sich zufällig oder durch Eingabe von Energie. Im Durchschnitt gibt es immer genug Elektronenladung, um Dinge zusammenzuhalten, weil es zufällig einen bestimmten Durchschnitt gibt, um das Loch oder die externe Energie zu füllen, die die Elektronen von einer weiter hinten liegenden Quelle in das Loch haben. Die Formbarkeit und Duktierbarkeit ist ein Ergebnis der Metallbindung. Da sich die Elektronen leicht genug bewegen können, können die Metallatome so manipuliert werden, dass sie auf die gewünschte Weise verschoben werden, und nichts hindert die Elektronenwolke daran, sich um die verschobenen Atome zurück zu bewegen. Formbarkeit und Duktierbarkeit scheinen aufgrund dieses Phänomens möglich zu sein. Die Festigkeit des Materials hängt mit der Ausrichtung der kristallartigen Formationen zusammen. d.h. ein Metall möchte in einer ganzen kristallartigen Formation beginnen. Aus diesem Grund wird ein erweichtes Metel während des langsamen Abkühlens weich. Die Atome versuchen sich zu einem perfekten Kristall zu formen. Wenn es jedoch schnell genug erhitzt und abgekühlt wird, zerfällt diese Kristallstruktur in Subkristallstrukturen (eine Struktur, die aus mehr als einer kleineren Kristallstruktur besteht). Wahrscheinlich wegen thermodynamischer Prinzipien. Vielleicht treten die Wellen der Elektronenwolke von heißeren zu kühleren Regionen auf intrinsische Weise auf, um an bestimmten Stellen genügend Kraft zu erzeugen, um die Dinge proportional zur kollektiven Stärke der Subkristalle zu verschieben? Unabhängig davon verleiht dieser Prozess dem gesamten Metall eine stärkere Sprödigkeit. Danach können die Elektronen wie zuvor um den gehärteten Stahl driften, aber die Wege haben sich geändert. Für die Formbarkeit und Duktierbarkeit wird der Zustand der Kristallstruktur wahrscheinlich gemittelt, um die gleiche ursprüngliche Kristallbildung beizubehalten, aber die Niveaus quetschen ein (d. H. Die unteren / oberen / benachbarten Niveaus). Die Elektronen fließen einfach um die zerquetschte Struktur herum, als wäre während und nach dem Prozess nichts anders. Aber Druck erzeugt Wärme und diese Wärme zwingt das Atom, im Durchschnitt in höheren Energiezuständen zu bleiben. Die höheren Zustände sind anti-gebundene Zustände, so dass es keinen Klebstoff gibt, der das Atom an seinen Nachbarn hält, bis die Kraft entfernt wird. Wenn ein Metall erhitzt wird, nimmt die Anzahl der anti-gebundenen Elektronenenergie zu und es ist einfacher, den Stahl in einen gewünschten zu manipulieren Form, weil die Elektronen in kühlere Bereiche driften wollen. Die Menge an Klebstoff, die in der erhitzten Struktur gehalten wird, nimmt proportional zur Wärmemenge ab. Formbarkeit und Duktabilität klingen sehr ähnlich, weil sie die gleichen Mengen an Erwärmung oder Abkühlung beinhalten.

Kommentare

• Ich habe Ihre gesamte Antwort gelesen und sehe zwei Abneigungen. Während die Antwort der Chemomechanik oben besser ist, weil sie klarer, kürzer und besser ist organisiert, ich denke, Ihre Antwort ist nicht schlecht. Das Problem ist, dass es dieser einzelne hässliche Textblock ist, immer alle paar Sätze Platz schaffen, um ihn lesbarer zu machen. Wie ich bereits sagte (geschrieben), gab es gute Kenntnisse in Ihrem Beitrag, wenn Sie es geschafft hätten, diese Informationen zu liefern Im schöneren “ -Paket “ würden Sie wahrscheinlich Upvotes anstelle von Downvotes erhalten.
• Können Sie bitte eine Absatzformatierung hinzufügen?