金属はなぜ展性と延性があるのですか？

セラミックとの比較を行いましょう。金属は一般に延性があり、一般に脆いです。

まず、結晶（および金属とセラミックはどちらも一般に多結晶です）は転位運動によって変形する可能性があることに注意してください。転位は、結晶に可塑性をもたらす線欠陥です。古典的な例えは、しわをその長さまで蹴ってラグを動かすことです。クリスタル全体を一度に変形させる必要はありません。材料全体に1つ（または複数）の転位を掃引し、一度に比較的少数の結合を切断する必要があります。

これは、結晶にせん断力を運ぶ湾曲した転位の簡単な図です。転位の新しい永続的なステップを残します：

したがって、これは永久変形を実現するための非常に便利な方法です。ただし、前者の金属結合は、セラミックのイオン/共有結合よりも弱いため、セラミックよりも金属のこれらの結合を切断する方がはるかに簡単です。後者（セラミックは一般に耐火性である、すなわち、それらは高い溶融温度を有するという事実によって証明されるように）。特に、金属中の電子の非局在化の性質により、転位は簡単にすべります。これは、延性/柔軟性に相当します。 （この説明では、2つの用語は同じです。変形しやすい荷重条件のタイプのみが異なります。）

さらに、面心立方結晶構造を持つ金属（金または銅など）、構造対称性は、転位が容易に伝播する可能性のある多くの可能なすべり面を提供します。これは、さらに優れた延性/脆性に相当します。

これは、面心立方構造の図です。複数の平面に原子が密に詰まっているため、転位は短い距離だけホップでき、通過が大幅に容易になります。 ：

対照的に、セラミックでは転位運動が非常に強く妨げられるため（結合に方向性があり、電荷がしっかりと固定されているため）、バルク破壊と脆性に対応して、すべての結合を一度に切断するのに必要なエネルギーが少なくて済みます。

金属とセラミックのこれらの微視的な違いの結果の1つは、亀裂や欠陥への応答方法です。鋭い亀裂は、本質的に応力場がその周りで鋭くねじれる必要があるため、応力集中を引き起こします。金属では、この応力集中はありません。」多くの問題—いくつかの転位が移動し、塑性変形と亀裂の鈍化をもたらしますti p。このオプションは、転位運動の障害のため、セラミックではほとんどありません。結合を永久に切断し、以前は高応力の領域に新しい開いた表面を形成する方が簡単な場合があります。これが亀裂伝播のメカニズムであり、亀裂が伝播し続けると、バルク破壊が発生します。

コメント

• 金属は本当に多結晶ですか？では、単結晶とは何ですか？
• 遭遇するほとんどすべての金属は多結晶です。

金属は、金属結合のため、展性と延性があります。金属結合は、イオン結合や共有結合とは異なります。金属結合はそれ自身のタイプの結合です。金属結合は、シュレディンガー方程式を各原子に適用し、原子を近づけて原子の数と同じ数の波動関数を形成することにより、現代の結合理論で記述されます。可能な波動関数を表す結合と反結合波の形成これらすべてが可能なバンドエネルギーを形成します結晶構造内の結合は、平均結合エネルギー状態が孤立状態よりも低い場合にのみ構造を結合します。金属の平均結合エネルギー構造は低くなります孤立した原子よりもフェルミレベルは、金属内の原子価電子の隣で何が起こるかを理解するために知られている必要があります。関心のあるさまざまな金属のこのエネルギーレベルの表を調べることができます。フェルミエネルギーレベルは最高のエネルギーです。絶対ゼロでのすべてのペアの電子の状態絶対ゼロでは、内部のすべての電子がペアになり、最下部のエネルギーからFeまで占有可能な状態を順番に満たします。 rmiエネルギー。金属が加熱されると、電子は、構造内で可能な最高の反結合性である真空準位まで、より高いエネルギー状態に移動する可能性があります。真空準位を超えると、電子が金属から放出されます。フェルミエネルギーは、絶対零度を超える金属構造内の平均電子エネルギーであるため、重要です。金属には伝導帯があります。これは、すべての軌道が重なり、外側の電子のイオン化レベルが非常に低いためです。伝導帯はフェルミ準位に非常に近い。電子をエネルギーのより高い伝導状態にバンプしてその構造内を動き回るのに、熱や電位差はほとんど必要ありません。フェルミエネルギーと伝導帯の違いは、大まかにバンドギャップとして知られています。導体では、軌道が重なり合って移動可能な電子を共有するため、バンドギャップは実際には存在しません。軌道が重なり合って移動可能な電子は、連続的なエネルギースペクトルを作成します。電子は、より高いエネルギー状態を継続的に占めることができます。基本的に、2つの金属間の結合状態原子は単一の原子よりも低く、単一の原子はその電子をイオン化して結合を形成する必要があります。金属の仕事関数（フェルミ準位+電子を放出する光子エネルギー）に精通している場合。伝導帯はこの点とフェルミ準位の間にありますが、電子が構造の周りを非常に簡単に移動し、特定の原子に属さないようにするのに十分小さい程度です。ただし、伝導帯はフェルミ準位にある可能性があります。金属構造内の電子を機械的に量子化すると、進行波として表されます。それらは、イオン化された正イオン電荷である原子間のクーロン引力とともに、原子を結合する構造内に一種の電子雲を形成することが知られています。完璧なレイヤーと立方体の形できれいに積み重ねられたボールを、それを一緒に保持する一種の雲で視覚化できます。電子が移動すると、それらは穴を作成し、これは別の電子の新しい場所です。電子はランダムに、または入力エネルギーによって移動します。平均して、物をくっつけるのに十分な電子電荷が常にあります。これは、穴を埋めたい特定の平均、または電子がソースからさらに後方から穴に向かう外部エネルギーがあるためです。展性と延性は金属結合の結果です。電子は十分に簡単に動き回ることができるため、金属原子を操作して目的の方法でシフトさせることができ、電子雲がシフトした原子の周りに戻るのを制限するものは何もありません。この現象により、展性と延性が可能と思われます。材料の強度は、地層のような結晶の配列と関係があります。つまり、金属は、形成のような1つの結晶全体から始めたいと考えています。ゆっくりと冷却する過程で、柔らかくなったメテルが柔らかくなるのはそのためです。原子は完全結晶を形成しようとします。しかし、十分に速く加熱および冷却されると、この結晶構造はサブ結晶構造（複数の小さな結晶構造によって形成された構造）に分解されます。おそらく熱力学的原理によるものです。おそらく、より高温の領域からより低温の領域への電子雲のサージは、特定のスポットに沿って十分な力を生み出し、サブ結晶の集合強度に比例して物事をシフトさせる固有の方法で発生しますか？このプロセスに関係なく、金属全体がより強力で脆い効果をもたらします。その後、電子は以前と同じように硬化鋼の周りをドリフトできますが、経路が変更されています。展性と延性のために、結晶構造の状態はおそらく同じ元の結晶形成を維持するために平均化されますが、レベルは押しつぶされます（つまり、下/上/隣接レベル）。電子は、プロセス中とプロセス後に何も変わらないように、押しつぶされた構造の周りに流れ込むだけです。しかし、圧力は熱を発生させ、この熱は原子を（平均して）より高いエネルギー状態にとどまらせます。より高い状態は反結合状態であるため、力が除去されるまで原子を隣接する原子に保持する接着剤はありません。金属が加熱されると、反結合電子エネルギーの数が増加し、鋼を目的の方向に操作しやすくなります。電子がより冷たい領域にドリフトしたいので、形状。したがって、加熱された構造を保持する接着剤の量は、熱の量に比例して減少します。展性とダクト性は、同じ量の加熱または冷却を伴うため、ほとんど同じように聞こえます。

コメント

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