Perché i metalli sono malleabili e duttili?

Facciamo un confronto con la ceramica, che, proprio come i metalli sono generalmente duttili, generalmente fragili.

Innanzitutto, nota che i cristalli (e i metalli e le ceramiche sono entrambi generalmente policristallini) possono deformarsi a causa del movimento di dislocazione. Una dislocazione è un difetto di linea che trasporta la plasticità attraverso un cristallo. Lanalogia classica è spostare un tappeto calciando una ruga lungo la sua lunghezza. Non è necessario deformare lintero cristallo in una volta; hai solo bisogno di spazzare una (o più) dislocazioni attraverso il materiale, rompendo un numero relativamente piccolo di legami alla volta.

Qui “una semplice illustrazione di una dislocazione curva che trasporta il taglio attraverso un cristallo; il passaggio della dislocazione lascia un nuovo passaggio permanente:

Quindi questo è un modo molto conveniente per ottenere una deformazione permanente. Tuttavia, è molto più facile rompere questi legami nei metalli che nella ceramica perché i legami metallici nel primo sono più deboli dei legami ionici / covalenti nel questi ultimi (come evidenziato dal fatto che le ceramiche sono generalmente refrattarie, cioè hanno temperature di fusione elevate). In particolare, la natura delocalizzata degli elettroni nei metalli consente alla dislocazione di scivolare facilmente . Ciò equivale a duttilità / malleabilità. (I due termini sono identici per questa discussione; differiscono solo per il tipo di condizioni di carico che si traducono in una facile deformazione.)

Inoltre, nei metalli con una struttura cristallina cubica centrata sulla faccia (si pensi alloro o rame, per esempio), la simmetria strutturale fornisce molti possibili piani di scorrimento lungo i quali le dislocazioni possono propagarsi facilmente. Ciò equivale a una duttilità / malleabilità ancora maggiore.

Ecco unillustrazione di una struttura cubica centrata sulla faccia; lo stretto impacchettamento degli atomi su più piani consente alle dislocazioni di saltare solo per brevi distanze, facilitando notevolmente il loro passaggio :

Al contrario, il movimento di dislocazione è così fortemente ostacolato nella ceramica (perché i legami sono direzionali e le cariche sono fissate rigidamente) che potrebbe essere necessaria meno energia per rompere semplicemente tutti i legami in una volta, corrispondente alla frattura di massa e alla fragilità.

Una conseguenza di queste differenze microscopiche tra i metalli e la ceramica è il modo in cui rispondono a crepe o imperfezioni. Una crepa acuta produce una concentrazione di stress, essenzialmente perché il campo di stress deve ruotarsi bruscamente attorno ad esso. In un metallo, questa concentrazione di stress non è ” t è un grosso problema: alcune dislocazioni si sposteranno, con conseguente deformazione plastica e smussamento della fessura ti p. Questa opzione è molto meno probabile in una ceramica a causa degli impedimenti al movimento di dislocazione. Potrebbe essere più semplice rompere i legami in modo permanente e formare una nuova superficie aperta nellarea precedentemente ad alto stress. Questo è il meccanismo di propagazione della cricca e se la cricca continua a propagarsi, si ottiene una frattura alla rinfusa.

Commenti

• I metalli sono davvero policristallini? Cosa sono allora i cristalli singoli?
• Quasi tutto il metallo che incontriamo è policristallino.

I metalli sono malleabili e duttili a causa del legame metallico. Il legame metallico è diverso dal legame ionico e covalente. Il legame metallico è il suo tipo di legame. I legami metallici sono descritti con la moderna teoria dei legami applicando lequazione di Schrodinger a ciascun atomo e avvicinando gli atomi sempre più vicini per formare tante funzioni donda quante sono il numero di atomi. legami e formazioni donda di anticondensa che descrivono le possibili funzioni donda. Tutte queste formano le possibili energie di banda. I legami allinterno di una struttura cristallina tengono insieme la struttura solo se lo stato di energia di legame medio è inferiore agli stati isolati. I metalli hanno una struttura di energia di legame media inferiore di atomi isolati. Il livello di fermi deve essere noto per capire cosa succede accanto agli elettroni di valenza allinterno di un metallo. È possibile cercare tabelle per questo livello di energia di diversi metalli di interesse. Il livello di energia di fermi è lenergia superiore stato di tutti gli elettroni accoppiati allo zero assoluto. Allo zero assoluto tutti gli elettroni allinterno sono accoppiati e riempiono sequenzialmente gli stati occupabili dallenergia inferiore al Fe rmi energy. Quando un metallo viene riscaldato, gli elettroni possono spostarsi verso stati di energia più elevati fino al livello di vuoto che è il più alto anticondensa possibile allinterno della struttura. Oltre il livello di vuoto, un elettrone viene espulso dal metallo.Lenergia fermi è importante perché è miracolosamente lenergia media degli elettroni allinterno della struttura metallica sopra lo zero assoluto. Cè una banda di conduzione nei metalli resa possibile perché tutti gli orbitali si sovrappongono e lelettrone esterno ha un livello di ionizzazione molto basso. La banda di conduzione è molto vicina al livello di energia dei fermi. È necessario pochissimo calore o differenza di potenziale per spingere gli elettroni negli stati di conduzione più elevati di energia per muoversi allinterno della sua struttura. La differenza tra lenergia dei fermi e la banda di conduzione è vagamente nota come Band Gap. Nei conduttori il Band Gap non esiste realmente a causa degli orbitali che si sovrappongono e condividono un elettrone mobile. Lelettrone sovrapposto e mobile degli orbitali crea uno spettro di energia continuo. Gli elettroni sono continuamente autorizzati a occupare stati energetici superiori. Fondamentalmente lo stato di legame tra due metalli gli atomi sono inferiori a un singolo atomo e un singolo atomo deve ionizzare il proprio elettrone per formare il legame. Se hai familiarità con la funzione di lavoro di un metallo (livello di energia di Fermi + energia del fotone per espellere lelettrone). la banda di conduzione si trova tra questo punto e il livello dei fermi ma dellordine di qualcosa di abbastanza piccolo da consentire allelettrone di muoversi molto facilmente intorno alla struttura e non appartenere mai a un particolare atomo. Tuttavia, la banda di conduzione potrebbe essere proprio a livello dei fermi. Dal punto di vista quantistico gli elettroni allinterno di una struttura metallica sono rappresentati come onde viaggianti. Sono noti per formare una sorta di nuvola di elettroni allinterno della struttura incollando gli atomi insieme allattrazione coulombica tra gli atomi ionizzati con carica ionica positiva. Puoi visualizzare palline ordinatamente impilate con strati perfetti e forma cubica con un tipo di nuvola che le tiene insieme. Quando gli elettroni si muovono creano un buco e questa è una nuova posizione per un elettrone diverso. Gli elettroni si muovono in modo casuale o per energia in ingresso. In media cè sempre abbastanza carica di elettroni per unire le cose perché casualmente cè una certa media per voler riempire il buco o lenergia esterna in cui gli elettroni hanno una direzione nel buco da una sorgente più indietro. La malleabilità e la duttilità sono il risultato del legame metallico. Poiché gli elettroni possono muoversi abbastanza facilmente, gli atomi metallici possono essere manipolati per essere spostati nel modo desiderato e nulla impedisce alla nuvola di elettroni di tornare indietro intorno agli atomi spostati. La malleabilità e la duttilità sembrano essere possibili a causa di questo fenomeno. La forza del materiale ha a che fare con lallineamento delle formazioni simili a cristalli. cioè un metallo vuole iniziare in una formazione simile a un cristallo intero. Ecco perché un metel ammorbidito si ammorbidisce durante il lento processo di raffreddamento. Gli atomi cercano di formare un cristallo perfetto. Ma poiché viene riscaldata e raffreddata abbastanza velocemente, questa struttura cristallina si romperà in strutture sub-cristalline (una struttura formata da più di una struttura cristallina più piccola). Probabilmente a causa di principi termodinamici. Forse le ondate della nube di elettroni dalle regioni più calde a quelle più fredde avvengono in modi intrinseci per creare una forza sufficiente lungo determinati punti per spostare le cose in modo proporzionale alla forza collettiva dei sottocristalli? Nonostante questo processo conferisce allintero metallo un effetto più forte e più fragile. Successivamente gli elettroni possono spostarsi attorno allacciaio temprato come prima, ma i percorsi sono cambiati. Per la malleabilità e la duttilità, lo stato della struttura cristallina è probabilmente mediato per mantenere la stessa formazione cristallina originale ma i livelli si schiacciano (cioè i livelli inferiore / superiore / adiacente). Gli elettroni fluiscono semplicemente intorno alla struttura schiacciata come se nulla fosse diverso durante e dopo il processo. Ma la pressione crea calore e questo calore costringe latomo a rimanere in stati energetici più elevati (in media). Gli stati superiori sono stati anti-legame, quindi non cè colla che trattiene latomo ai suoi vicini fino a quando la forza non viene rimossa. Quando un metallo viene riscaldato, il numero di energia degli elettroni anti-legame aumenta ed è più facile manipolare lacciaio in un desiderato forma perché gli elettroni vogliono spostarsi in regioni più fredde. Quindi la quantità di colla che trattiene la struttura riscaldata diminuisce proporzionalmente alla quantità di calore. La malleabilità e la duttilità suonano molto simili perché implicano le stesse quantità di riscaldamento o raffreddamento.

Commenti

• Ho letto tutta la tua risposta, vedo che ha due antipatie. Mentre la risposta della chemomeccanica sopra è migliore, perché è più chiara, più breve e migliore organizzato, penso che la tua risposta non sia male.Il problema è che è questo singolo brutto blocco di testo, fai sempre spazio ogni poche frasi per renderlo più leggibile.Come ho detto (scritto) prima, cera una buona conoscenza nel tuo post, se tu fossi riuscito a fornire quelle informazioni in ” package ” più bello, penso che riceveresti voti positivi invece che voti negativi.
• Puoi aggiungere un po di formattazione del paragrafo?