Pourquoi les métaux sont-ils malléables et ductiles?

Faisons une comparaison avec la céramique, qui – tout comme les métaux sont généralement ductiles – sont généralement cassants.

Premièrement, notez que les cristaux (et les métaux et les céramiques sont généralement polycristallins) peuvent se déformer par mouvement de dislocation. Une dislocation est un défaut de ligne qui transporte la plasticité à travers un cristal. Lanalogie classique consiste à déplacer un tapis en frappant une ride sur sa longueur. Vous navez pas besoin de déformer tout le cristal à la fois; il vous suffit de balayer une (ou plusieurs) dislocations à travers le matériau, brisant un nombre relativement petit de liaisons à la fois.

Voici « une illustration simple dune dislocation courbe transportant un cisaillement à travers un cristal; le passage de la dislocation laisse une nouvelle étape permanente:

Cest donc un moyen très pratique dobtenir une déformation permanente. Cependant, il est beaucoup plus facile de rompre ces liaisons dans les métaux que dans la céramique car les liaisons métalliques dans le premier sont plus faibles que les liaisons ioniques / covalentes dans le ces derniers (comme en témoigne le fait que les céramiques sont généralement réfractaires, cest-à-dire quelles ont des températures de fusion élevées). En particulier, la nature délocalisée des électrons dans les métaux permet une dislocation de glisser facilement . Cela équivaut à la ductilité / malléabilité. (Les deux termes sont identiques pour cette discussion; ils ne diffèrent que par le type de conditions de chargement qui entraînent une déformation facile.)

De plus, dans les métaux avec une structure cristalline cubique centrée sur la face (pensez à lor ou cuivre, par exemple), la symétrie structurelle fournit de nombreux plans de glissement possibles le long desquels les dislocations peuvent facilement se propager. Cela équivaut à une ductilité / malléabilité encore plus grande.

Voici une illustration dune structure cubique centrée sur la face; le compactage serré des atomes sur plusieurs plans permet aux dislocations de ne sauter que sur de courtes distances, facilitant grandement leur passage :

En revanche, le mouvement de dislocation est si fortement entravé dans la céramique (parce que les liaisons sont directionnelles et les charges sont fixées de manière rigide) quil peut prendre moins dénergie pour simplement rompre toutes les liaisons à la fois, ce qui correspond à une fracture en vrac et à la fragilité.

Une conséquence de ces différences microscopiques entre les métaux et les céramiques est la façon dont ils réagissent aux fissures ou aux défauts. Une fissure aiguë produit une concentration de contraintes, essentiellement parce que le champ de contraintes doit se tordre brusquement autour delle. Dans un métal, cette concentration de contraintes nest  » t beaucoup de problème – certaines dislocations se déplaceront, entraînant une déformation plastique et un émoussement de la fissure ti p. Cette option est beaucoup moins probable dans une céramique en raison des obstacles au mouvement de dislocation. Il peut simplement être plus facile de rompre les liaisons de manière permanente et de former une nouvelle surface ouverte au niveau de la zone autrefois à fortes contraintes. Cest le mécanisme de propagation de la fissure, et si la fissure continue de se propager, vous obtenez une fracture en vrac.

Commentaires

• Les métaux sont-ils vraiment polycristallins? Que sont donc les monocristaux?
• Presque tout le métal que nous rencontrons est polycristallin.

Les métaux sont malléables et ductiles en raison de la liaison métallique. La liaison métallique est différente de la liaison ionique et covalente. La liaison métallique est son propre type de liaison. Les liaisons métalliques sont décrites avec la théorie moderne des liaisons en appliquant léquation de Schrodinger à chaque atome et en rapprochant de plus en plus les atomes pour former autant de fonctions donde que le nombre datomes. Il y a liaisons et formations dondes antibondes décrivant les fonctions dondes possibles. Tous ces éléments forment les énergies de bande possibles. Les liaisons au sein dune structure cristalline ne maintiennent la structure ensemble que si létat moyen de lénergie liée est inférieur aux états isolés. Les métaux ont une structure dénergie liée moyenne inférieure que les atomes isolés. Le niveau de fermi doit être connu pour comprendre ce qui se passe à côté des électrons de valence dans un métal. Des tableaux pour ce niveau dénergie de différents métaux dintérêt peuvent être consultés. Le niveau dénergie de fermi est lénergie supérieure état de tous les électrons appariés au zéro absolu. Au zéro absolu, tous les électrons à lintérieur sont appariés et remplissent séquentiellement les états occupables de lénergie inférieure au Fe énergie rmi. Lorsquun métal est chauffé, les électrons peuvent passer à des états dénergie plus élevés jusquau niveau de vide qui est lantibond le plus élevé possible dans la structure. Passé le niveau de vide, un électron est éjecté du métal.Lénergie fermi est importante car elle est miraculeusement lénergie électronique moyenne dans la structure métallique au-dessus du zéro absolu. Il y a une bande de conduction dans les métaux rendue possible parce que toutes les orbitales se chevauchent et que lélectron externe a un niveau dionisation très faible. La bande de conduction est très proche du niveau dénergie fermi. Il faut très peu de chaleur ou de différence de potentiel pour faire monter les électrons aux états de conduction supérieurs de lénergie pour se déplacer dans sa structure. La différence entre lénergie fermi et la bande de conduction est connue sous le nom de Band Gap. Dans les conducteurs, la bande interdite n’existe pas vraiment en raison du chevauchement des orbitales et du partage d’un électron mobile. L’électron mobile qui se chevauche et l’orbite crée un spectre d’énergie continu. Les électrons sont continuellement autorisés à occuper des états d’énergie plus élevés. Fondamentalement, l’état lié entre deux métaux atomes est inférieur à un seul atome et un seul atome doit ioniser son électron pour former la liaison. Si vous connaissez la fonction de travail dun métal (niveau dénergie de Fermi + énergie de photon pour éjecter lélectron). la bande de conduction est entre ce point et le niveau de fermi mais de lordre de quelque chose dassez petit qui permet à lélectron de se déplacer très facilement autour de la structure et de ne jamais appartenir à un atome particulier. Cependant, la bande de conduction pourrait être juste au niveau de fermi. Les électrons dune structure métallique quantique sont représentés mécaniquement sous forme dondes progressives. Ils sont connus pour former une sorte de nuage délectrons au sein de la structure collant les atomes avec lattraction coulombique entre les atomes de charge ionique positive ionisée. Vous pouvez visualiser des balles parfaitement empilées avec des couches parfaites et une forme cubique avec un type de nuage qui les maintient ensemble. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent, ils créent un trou et cest un nouvel emplacement pour un électron différent. Les électrons se déplacent au hasard ou par imputation dénergie. En moyenne, il y a toujours assez de charge délectrons pour coller les choses ensemble, car au hasard, il y a une certaine moyenne pour vouloir remplir le trou ou lénergie externe les électrons ont une direction dans le trou à partir dune source plus en arrière. La malléabilité et la ductabilité sont le résultat de la liaison métallique. Parce que les électrons peuvent se déplacer assez facilement, les atomes métalliques peuvent être manipulés pour se déplacer de la manière souhaitée et rien nempêche le nuage délectrons de se déplacer autour des atomes décalés. La malléabilité et la ductabilité semblent être possibles en raison de ce phénomène. La résistance du matériau est liée à lalignement des formations cristallines. cest-à-dire quun métal veut commencer dans un cristal entier comme une formation. Cest pourquoi un métal ramolli se ramollit pendant le lent processus de refroidissement. Les atomes essaient de se former en un cristal parfait. Mais comme elle est chauffée et refroidie assez rapidement, cette structure cristalline se décomposera en structures sous-cristallines (une structure formée par plus dune structure cristalline plus petite). Probablement à cause des principes de la dynamique thermique. Peut-être que les surtensions du nuage délectrons des régions les plus chaudes aux régions les plus froides se produisent de manière intrinsèque pour créer suffisamment de force le long de certains endroits pour déplacer les choses proportionnellement à la force collective des sous-cristaux? Indépendamment de ce processus donne à lensemble du métal un effet plus cassant plus fort. Ensuite, les électrons peuvent dériver autour de lacier trempé comme auparavant, mais les voies ont changé. Pour la malléabilité et la ductilité, létat de la structure cristalline est probablement moyenné pour conserver la même formation cristalline dorigine, mais les niveaux sécrasent (cest-à-dire les niveaux inférieurs / supérieurs / adjacents). Les électrons sécoulent juste autour de la structure écrasée comme si rien nétait différent pendant et après le processus. Mais la pression crée de la chaleur et cette chaleur oblige latome à rester dans des états dénergie plus élevés (en moyenne). Les états supérieurs sont des états anti-liés donc il ny a pas de colle qui retient latome à ses voisins jusquà ce que la force soit supprimée. Lorsquun métal est chauffé, le nombre dénergie délectrons anti-liés augmente et il est plus facile de manipuler lacier en un forme parce que les électrons veulent dériver vers des régions plus froides. Ainsi, la quantité de colle retenant la structure chauffée diminue proportionnellement à la quantité de chaleur. La malléabilité et la ductabilité sonnent à peu près les mêmes car elles impliquent les mêmes quantités de chauffage ou de refroidissement. p>

Commentaires

• Jai lu toute votre réponse, je vois quelle a deux dégoûts. Bien que la réponse de la chimiomécanique ci-dessus soit meilleure, car elle est plus claire, plus courte et meilleure organisé, je pense que votre réponse nest pas mauvaise.Le problème est que cest ce seul bloc de texte laid, faites toujours de lespace toutes les quelques phrases pour le rendre plus lisible.Comme je lai dit (écrit) auparavant, il y avait une bonne connaissance dans votre message, si vous aviez réussi à fournir cette information dans un  » package  » plus agréable, je pense que vous obtiendriez des votes positifs au lieu de votes négatifs.
• Pouvez-vous ajouter une mise en forme de paragraphe?