Miksi metallit ovat muokattavia ja sitkeitä?

Annetaan vertailu keramiikkaan, joka – aivan kuten metallit ovat yleensä sitkeitä – ovat yleensä hauraita.

Huomaa ensinnäkin, että kiteet (ja metallit ja keramiikka ovat molemmat yleensä monikiteisiä) voivat muodostaa muodonmuutoksia sijoiltaan siirtymällä. Sijoiltaan siirtyminen on linjavirhe, joka kuljettaa plastisuutta kiteen läpi. Klassinen analogia on maton siirtäminen potkimalla ryppy pitkin sen pituutta. Sinun ei tarvitse deformoida koko kristallia kerralla; sinun tarvitsee vain pyyhkiä yksi (tai useita) sijoiltaan materiaalin läpi rikkomalla suhteellisen pieni määrä sidoksia kerrallaan.

Tässä on yksinkertainen esimerkki kaarevasta sijoittelusta, joka kuljettaa leikkauksen kiteen läpi; sijainnista jättää uuden pysyvän vaiheen:

Tämä on siis erittäin kätevä tapa saavuttaa pysyvä muodonmuutos. On kuitenkin paljon helpompaa katkaista nämä sidokset metallissa kuin keramiikassa, koska edellisen metalliset sidokset ovat heikompia kuin ionisten / kovalenttisten sidosten jälkimmäiset (todistaa se tosiasia, että keramiikka on yleensä tulenkestävää, ts. niillä on korkeat sulamislämpötilat). Erityisesti metallien elektronien hajautettu luonne sallii siirtymisen helposti liukastumaan . Tämä vastaa sitkeyttä / muovattavuutta. (Nämä kaksi termiä ovat samanlaiset tässä keskustelussa; ne eroavat toisistaan vain sellaisten kuormitusolosuhteiden suhteen, jotka johtavat helposti muodonmuutoksiin.)

Lisäksi metalleissa, joiden kiteinen rakenne on kasvokeskiö-kuutio (ajatella kultaa esimerkiksi kupari), rakenteellinen symmetria tarjoaa monia mahdollisia luistotasoja , joita pitkin dislokaatiot voivat helposti levitä. Tämä vastaa entistä suurempaa sitkeyttä / muokattavuutta.

Tässä on esimerkki kasvokeskeisestä kuutiomaisesta rakenteesta; atomien tiivis pakkaus useille tasoille sallii dislokaatioiden hypätä vain lyhyillä etäisyyksillä, mikä helpottaa huomattavasti niiden kulkua. :

Sen sijaan sijoitteluliike on niin voimakkaasti estetty keramiikassa (koska sidokset ovat suuntaisia ja varaukset ovat kiinteästi kiinnittyneitä), että kaikkien sidosten yksinkertainen rikkominen kerralla voi viedä vähemmän energiaa, mikä vastaa irtomurtumaa ja haurautta.

Yksi seuraus näistä mikroskooppisista eroista metallien ja keramiikan välillä on tapa, jolla ne reagoivat halkeamiin tai puutteisiin. Terävä halkeama aiheuttaa jännityskonsentraation lähinnä siksi, että jännityskentän on kiertynyt voimakkaasti sen ympärille. Metallissa tämä jännityskonsentraatio ei ole ” t suuri ongelma – jotkut sijoiltaan liikkuvat, mikä johtaa plastiseen muodonmuutokseen ja halkeaman tylpistymiseen s. Tämä vaihtoehto on paljon epätodennäköisempi keraamisissa aineissa, koska ne estävät sijoiltaan siirtymistä. Voi olla vain helpompaa katkaista sidokset pysyvästi ja muodostaa uusi avoin pinta aiemmin korkean stressin alueelle. Tämä on halkeamien leviämismekanismi, ja jos halkeaman leviäminen jatkuu, saat murtumia.

Kommentit

• Ovatko metallit todella monikiteisiä? Mitä yksittäiskiteet sitten ovat?
• Lähes kaikki kohtaamamme metalli on monikiteistä.

Metallit ovat muokattavia ja sitkeitä metallisidoksen takia. Metallisidos on erilainen kuin ioninen ja kovalenttinen. Metallisidos on sen oma sidostyyppi. Metallisidoksia kuvataan modernilla sidosten teorialla soveltamalla schrodinger-yhtälöä kuhunkin atomiin ja tuomalla atomit lähemmäksi ja lähemmäksi muodostamaan niin monta aaltofunktiota kuin atomien lukumäärä. sidokset ja vasta-aaltomuodostumat, jotka kuvaavat mahdollisia aaltofunktioita. Kaikki nämä muodostavat mahdolliset kaistaenergiat. Kristallirakenteen sidokset pitävät rakennetta yhdessä vain, jos keskimääräinen sitoutuneen energian tila on pienempi kuin eristettyjen tilojen. kuin eristetyt atomit. Fermitason on oltava tiedossa, jotta voidaan selvittää, mitä metallin valenssielektronien vieressä tapahtuu. Eri kiinnostavien metallien tätä energiatasoa koskevat taulukot voidaan etsiä. Fermin energiataso on huippuenergia kaikkien pariksi liitettyjen elektronien tila absoluuttisessa nollassa. Absoluuttisessa nollassa kaikki sisällä olevat elektronit ovat pariksi ja täyttävät peräkkäin varatut tilat pohjaenergiasta Fe: hen rmi-energia. Kun metallia kuumennetaan, elektronit voivat siirtyä korkeamman energian tiloihin aina tyhjötasolle, joka on rakenteessa korkein mahdollinen vasta-aine. Tyhjiötason ohi elektroni työntyy metallista.Fermi-energia on tärkeä, koska se on ihmeen keskimääräinen elektronienergia metallirakenteessa absoluuttisen nollan yläpuolella. Metalleissa on johtamisalue, mikä on mahdollista, koska kaikki kiertoradat ovat päällekkäisiä ja ulkoisella elektronilla on hyvin alhainen ionisaatiotaso. Johtokanava on hyvin lähellä fermin energiatasoa. Hyvin vähän lämpöä tai potentiaalieroa tarvitaan elektronien törmäämiseen korkeammiin energian johtamistiloihin liikkua rakenteensa sisällä. Ero fermienergian ja johtamiskaistan välillä tunnetaan löyhästi nimellä Band Gap. Johtimissa kaistaväliä ei todellakaan ole, koska kiertoradat ovat päällekkäisiä ja jakavat liikkuvan elektronin. Kiertoradan päällekkäiset ja liikkuvat elektronit luovat jatkuvan energiaspektrin. Elektronien annetaan jatkuvasti miehittää korkeampia energiatiloja. Pohjimmiltaan kahden metallin välinen sidottu tila atomit ovat pienempiä kuin yksi atomi ja yhden atomin on ionisoitava sen elektroni sidoksen muodostamiseksi. Jos olet perehtynyt metallin työtehtävään (Fermin energiataso + fotonienergia elektronin poistamiseksi). johtavuuskaista on tämän pisteen ja fermitason välillä, mutta riittävän pienen luokan järjestyksessä, jonka avulla elektroni voi liikkua rakenteen ympärillä erittäin helposti eikä koskaan kuulu tiettyyn atomiin. Johtokanava saattaa kuitenkin olla oikea fermitasolla. Kvantti mekaanisesti metallirakenteen sisällä olevat elektronit esitetään liikkuvina aaltoina. Heidän tiedetään muodostavan eräänlaisen elektronipilven rakenteeseen, joka liimaa atomit yhdessä ionisoituneen positiivisen ionivaroituksen välisen kulonisen vetovoiman kanssa. Voit visualisoida pallot siististi pinottuina täydellisillä kerroksilla ja kuutiomuodolla pilvetyypin kanssa, joka pitää sitä yhdessä. Kun elektronit liikkuvat, ne muodostavat reiän ja tämä on uusi paikka eri elektronille. Elektronit liikkuvat satunnaisesti tai syöttämällä energiaa. Keskimäärin on aina riittävästi elektronivaraa kiinnittääkseen asiat yhteen, koska satunnaisesti on tietty keskiarvo, joka haluaa täyttää reiän tai mitä ulompaa energiaa elektronilla on suunta reikään lähteestä, joka on taaksepäin. Muovattavuus ja sitkeys ovat seurausta metallisidoksesta. Koska elektronit voivat liikkua tarpeeksi helposti, metalliatomeja voidaan manipuloida siirtymään halutulla tavalla, eikä mikään estä elektronipilveä liikkumasta takaisin siirtyneiden atomien ympäri. Muotoilukyky ja sitovuus näyttävät olevan mahdollisia tämän ilmiön takia. Materiaalin vahvuus liittyy kiteen kaltaisten muodostumien linjaukseen. ts. metalli haluaa aloittaa yhden kokonaisen kristallin muodossa. Siksi pehmennetty metalli pehmenee hitaan jäähdytysprosessin aikana. Atomit yrittävät muodostaa täydellisen kiteen. Mutta koska se lämmitetään ja jäähdytetään riittävän nopeasti, tämä kristallirakenne hajoaa alakristallirakenteiksi (rakenne, jonka muodostaa useampi kuin yksi pienempi kiderakenne). Luultavasti termisten dynaamisten periaatteiden takia. Ehkä elektronipilven aallot kuumemmilta viileämmille alueille tapahtuvat sisäisillä tavoilla luomaan tarpeeksi voimaa pitkin tiettyjä kohtia siirtämään asiat suhteessa alikiteiden kollektiiviseen voimaan? Tästä prosessista huolimatta koko metallilla on vahvempi ja hauraampi vaikutus. Sen jälkeen elektronit voivat ajautua karkaistun teräksen ympäri kuten aikaisemmin, mutta polut ovat muuttuneet. Muovattavuuden ja muovattavuuden kannalta kristallirakenteen tila lasketaan todennäköisesti keskiarvoksi saman alkuperäisen kidemuodostuksen säilyttämiseksi, mutta tasot vilkkuvat sisään (ts. Alempi / ylempi / lähialueiden taso). Elektronit virtaavat vain puristetun rakenteen ympärille, kuten mikään ei ole erilainen prosessin aikana ja sen jälkeen. Mutta paine luo lämpöä ja tämä lämpö pakottaa atomin pysymään korkeammissa energiatiloissa (keskimäärin). Ylemmät tilat ovat sitoutumattomia tiloja, joten ei ole liimaa, joka pitää atomia naapureissaan, kunnes voima on poistettu. Kun metallia kuumennetaan, sitoutumattomien elektronien määrä kasvaa ja terästä on helpompi manipuloida halutuksi muoto, koska elektronit haluavat kulkeutua viileämmille alueille. Joten kuumennettua rakennetta pidättävän liiman määrä pienenee suhteessa lämmön määrään. Sopeutettavuus ja sitkeys kuulostavat melkein samoilta, koska niihin liittyy sama määrä lämmitystä tai jäähdytystä.

Kommentit

• Luin koko vastauksesi, mielestäni sillä on kaksi inhoaa. Vaikka yllä oleva kemomekaniikan vastaus on parempi, siitä tulee selkeämpi, lyhyempi ja parempi Järjestetty, mielestäni vastauksesi ei ole huono. Ongelmana on, että sen ainoa ruma tekstilohko tekee aina tilaa muutaman lauseen välein, jotta se olisi helpommin luettavissa. Kuten sanoin aiemmin (kirjoitettu) aiemmin, postissasi oli hyvää tietoa, jos olisit onnistunut toimittamaan nämä tiedot mukavammassa ” -paketissa ” luulen, että saisit yläneuvoja alasäänien sijaan.
• Voitteko lisätä kappaleiden muotoilun?