Hvorfor er metaller formbare og duktile? (Norsk)

La oss trekke en sammenligning med keramikk, som — akkurat som metaller er vanligvis duktile – er generelt sprø. Den klassiske analogien er å flytte et teppe ved å sparke en rynke nedover lengden. Du trenger ikke å deformere hele krystallet på en gang; du trenger bare å feie en (eller mange) forvridninger gjennom materialet, bryte et relativt lite antall bindinger om gangen.

Her er en enkel illustrasjon av en buet forvridning som bærer skjær gjennom en krystall; passasjen av forvridningen etterlater et nytt permanent trinn:

Så dette er en veldig praktisk måte å oppnå permanent deformasjon på. Det er imidlertid mye lettere å bryte disse bindingene i metaller enn i keramikk fordi metallbindingen i den tidligere er svakere enn de ioniske / kovalente bindinger i sistnevnte (som det fremgår av det faktum at keramikk generelt er ildfast, dvs. at de har høye smeltetemperaturer). Spesielt tillater den avlokaliserte naturen til elektronene i metaller forvridning for å gli lett . Dette tilsvarer duktilitet / smidbarhet. (De to begrepene er identiske for denne diskusjonen; de skiller seg bare ut i typen belastningsforhold som resulterer i lett deformasjon.)

I tillegg, i metaller med en ansiktssentrert-kubisk krystallstruktur (tenk gull eller kobber, for eksempel), gir den strukturelle symmetrien mange mulige glideplaner som forvridninger lett kan forplante seg. Dette tilsvarer enda større duktilitet / smidbarhet.

Her er en illustrasjon av en ansiktssentrert-kubisk struktur; den tette pakningen av atomer på flere plan tillater forskyvninger å hoppe bare korte avstander, noe som i stor grad letter gjennomgangen :

I kontrast, dislokasjonsbevegelse hindres så sterkt i keramikk (fordi bindingene er retningsbestemte og ladningene er stive faste) at det kan ta mindre energi å bare bryte alle bindingene samtidig, tilsvarende bulkbrudd og sprøhet.

En konsekvens av disse mikroskopiske forskjellene mellom metaller og keramikk er måten de reagerer på sprekker eller feil. En skarp sprekk gir en spenningskonsentrasjon, hovedsakelig fordi spenningsfeltet må vri seg kraftig rundt det. I et metall er denne spenningskonsentrasjonen ikke » mye av et problem — noen forvridninger vil bevege seg, noe som resulterer i plastisk deformasjon og avstumping av sprekken ti s. Dette alternativet er mye mindre sannsynlig i keramikk på grunn av hindringene for forskyvningsbevegelse. Det kan bare være lettere å bryte bindingene permanent og danne en ny åpen overflate på det tidligere høyspenningsområdet. Dette er mekanismen for sprekkutbredelse, og hvis sprekken fortsetter å forplante seg, får du bulkbrudd.

Kommentarer

• Er metaller virkelig polykrystallinske? Hva er enkeltkrystaller da?
• Nesten alt metall vi møter er polykrystallinsk.

Metaller er formbare og duktile på grunn av metallbinding. Metallbinding er forskjellig fra ionisk og kovalent binding. Metallbinding er dens egen type binding. Metallbinding beskrives med den moderne teorien om bindinger ved å anvende schrodinger-ligningen på hvert atom og bringe atomene nærmere og nærmere for å danne like mange bølgefunksjoner som antall atomer. Det er bindinger og antistofbølgedannelser som beskriver mulige bølgefunksjoner. Alle disse danner mulige båndenergier. Bindinger i en krystallstruktur holder bare strukturen sammen hvis den gjennomsnittlige bundet energitilstand er lavere enn isolerte tilstander. Metaller har en gjennomsnittlig bundet energistruktur mindre enn isolerte atomer. fermi-nivået må være kjent for å finne ut hva som skjer ved siden av valenselektronene i et metall. Tabeller for dette energinivået av forskjellige metaller av interesse kan bli sett opp. fermi-energinivået er den beste energien tilstanden til alle parrede elektronene ved absolutt null. Ved absolutt null er alle elektronene innenfor paret og fyller sekvensielt de okkuperte tilstandene fra bunnenergien til Fe rmi energi. Når et metall blir oppvarmet, kan elektronene bevege seg til høyere energitilstander helt til vakuumnivået som er det høyeste antistoffet som er mulig i strukturen. Etter vakuumnivået kastes et elektron ut av metallet.Fermi-energien er viktig fordi den på mirakuløst vis er den gjennomsnittlige elektronenergien i metallstrukturen over absolutt null. Det er et ledningsbånd i metaller muliggjort fordi alle orbitalene overlapper hverandre og det ytre elektronet har et veldig lavt ioniseringsnivå. Ledningsbåndet er veldig nær fermi energinivået. Svært lite varme eller potensiell forskjell er nødvendig for å støte elektronene opp til høyere ledningstilstander for energi for å bevege seg innenfor strukturen. Forskjellen mellom fermi-energien og ledningsbåndet er løst kjent som Band Gap. I ledere eksisterer ikke Band Gap egentlig på grunn av orbitalene som overlapper og deler et bevegelig elektron. Det orbitaloverlappende og bevegelige elektronet skaper kontinuerlig energispektrum. Elektronene får kontinuerlig okkupere høyere energitilstander. I utgangspunktet er bundet tilstand mellom to metall atomer er lavere enn et enkelt atom, og et enkelt atom må ionisere elektronet for å danne bindingen. Hvis du er kjent med arbeidsfunksjonen til et metall (Fermi energinivå + Fotonenergi for å skille ut elektron). ledningsbåndet er mellom dette punktet og fermi-nivået, men i størrelsesorden noe små som gjør det mulig for elektronet å bevege seg rundt strukturen veldig enkelt og aldri tilhører et bestemt atom. Ledningsbåndet kan imidlertid være riktig på fermi-nivå. Kvantemekanisk blir elektronene i en metallstruktur representert som vandrende bølger. De vet at de danner en slags elektronsky i strukturen som limer atomene sammen med den coulombiske tiltrekningen mellom atomene ioniserte positive ioneladningen. Du kan visualisere baller som er stablet pent med perfekte lag og kubikkform med en type sky som holder den sammen. Når elektroner beveger seg, skaper de et hull, og dette er et nytt sted for et annet elektron. Elektronene beveger seg tilfeldig eller tilføres energi. I gjennomsnitt er det alltid nok elektronladning til å holde ting sammen fordi det tilfeldigvis er et visst gjennomsnitt for å ønske å fylle hullet eller den eksterne energien elektronene har en retning inn i hullet fra en kilde lenger bak. Smidbarhet og smidbarhet er et resultat av metallbinding. Fordi elektronene kan bevege seg lett nok, kan metallatomene manipuleres for å bli forskjøvet på ønsket måte, og ingenting begrenser elektronskyen fra å bevege seg tilbake rundt de forskjøvede atomer. Smidbarhet og smidbarhet ser ut til å være mulig på grunn av dette fenomenet. Styrken til materialet har å gjøre med justeringen av de krystalllignende formasjonene. dvs. et metall ønsker å starte i en hel krystalllignende formasjon. Derfor blir en myknet metel myk under den langsomme kjøleprosessen. Atomer prøver å danne seg til en perfekt krystall. Men når den blir oppvarmet og avkjølt raskt nok, vil denne krystallstrukturen bryte opp i underkrystallstrukturer (en struktur dannet av mer enn en mindre krystallstruktur). Sannsynligvis på grunn av termiske dynamiske prinsipper. Kanskje bølgene til elektronskyen fra varmere til kjøligere regioner skjer på iboende måter for å skape nok kraft langs visse flekker til å skifte ting rundt proporsjonalt med underkrystallene kollektive styrke? Uansett gir denne prosessen hele metallet en sterkere og sprøere effekt. Etterpå kan elektronene drive rundt det herdede stålet som før, men stiene har endret seg. For smidbarhet og smidbarhet, blir tilstanden til krystallstrukturen sannsynligvis beregnet for å holde den samme opprinnelige krystallformasjonen, men nivåene klemmer seg inn (dvs. de nedre / øvre / adjaceant nivåene). Elektronene strømmer bare inn i den klemte strukturen som ingenting er noe annerledes under og etter prosessen. Men trykk skaper varme, og denne varmen tvinger atomet til å holde seg i høyere energitilstander (i gjennomsnitt). De høyere tilstandene er anti-bundet stater, så det er ingen lim som holder atomet til naboene før kraften er fjernet. Når et metall blir oppvarmet, øker antallet anti-bundet elektronenergi og er lettere å manipulere stålet til ønsket form fordi elektronene ønsker å drive inn i kjøligere regioner. Så mengden lim som holder den oppvarmede strukturen, synker proporsjonalt med mengden varme. Smidbarhet og smidbarhet høres veldig mye ut fordi de involverer samme mengder oppvarming eller kjøling. p>

Kommentarer

• Jeg har lest hele svaret ditt, jeg ser at det ikke liker to. Mens svaret fra kjemomekanikk ovenfor er bedre, fordi det er klarere, kortere og bedre organisert, jeg tror svaret ditt ikke er dårlig. Problemet er at det er denne stygge tekstblokken, alltid gir plass med noen få setninger for å gjøre det mer lesbart. Som jeg sa (skrevet) før, var det god kunnskap i innlegget ditt hvis du hadde klart å levere den informasjonen i finere » pakke «, tror jeg du ville fått upvotes i stedet for downvotes.
• Kan du legge til litt avsnittformatering?