Waarom zijn metalen kneedbaar en taai?

Laten we een vergelijking maken met keramiek, dat – net als metalen zijn over het algemeen taai – zijn over het algemeen broos.

Merk allereerst op dat kristallen (en metalen en keramiek beide over het algemeen polykristallijn zijn) kunnen vervormen door dislocatiebeweging. Een dislocatie is een lijndefect dat plasticiteit door een kristal draagt. De klassieke analogie is het verplaatsen van een kleed door een rimpel over de lengte te schoppen. Je hoeft niet het hele kristal tegelijk te vervormen; je hoeft maar één (of meerdere) dislocaties door het materiaal te vegen, waarbij je een relatief klein aantal bindingen tegelijk verbreekt.

Hier is een eenvoudige illustratie van een gebogen dislocatie die een schaar door een kristal voert; de doorgang van de ontwrichting laat een nieuwe permanente stap achter:

Dit is dus een erg handige manier om permanente vervorming te bereiken. Het is echter veel gemakkelijker om deze bindingen in metalen te verbreken dan in keramiek, omdat de metaalbindingen in de eerste zwakker zijn dan de ionische / covalente bindingen in de laatstgenoemde (zoals blijkt uit het feit dat keramiek over het algemeen vuurvast is, dwz dat ze hoge smelttemperaturen hebben). Met name de gedelokaliseerde aard van de elektronen in metalen maakt dislocatie gemakkelijk voorbij glijden mogelijk . Dit komt overeen met ductiliteit / kneedbaarheid. (De twee termen zijn identiek voor deze bespreking; ze verschillen alleen in het type belastingscondities dat resulteert in gemakkelijke vervorming.)

Bovendien, in metalen met een vlakgecentreerde kubische kristallijne structuur (denk aan goud of koper), biedt de structurele symmetrie vele mogelijke glijvlakken waarlangs dislocaties zich gemakkelijk kunnen voortplanten. Dit komt neer op een nog grotere vervormbaarheid / kneedbaarheid.

Hier is een illustratie van een kubusvormige structuur met het midden van het gezicht; de dichte opeenhoping van atomen op meerdere vlakken zorgt ervoor dat dislocaties slechts over korte afstanden kunnen springen, wat hun doorgang aanzienlijk vergemakkelijkt. :

dislocatiebeweging wordt zo sterk belemmerd in keramiek (omdat de bindingen directioneel zijn en de ladingen rigide gefixeerd) dat het minder energie kost om alle bindingen in één keer te verbreken, wat overeenkomt met bulkbreuk en broosheid.

Een gevolg van deze microscopisch kleine verschillen tussen metalen en keramiek is de manier waarop ze reageren op scheuren of gebreken. Een scherpe scheur produceert een spanningsconcentratie, voornamelijk omdat het spanningsveld er scherp omheen moet draaien. In een metaal is deze spanningsconcentratie niet ” Dit is een groot probleem – sommige dislocaties zullen bewegen, wat resulteert in plastische vervorming en afstomping van de scheur. p. Deze optie is veel minder waarschijnlijk in een keramiek vanwege de belemmeringen voor dislocatiebeweging. Het is misschien gemakkelijker om de verbindingen permanent te verbreken en een nieuw open oppervlak te vormen op het gebied dat voorheen onder hoge spanning stond. Dit is het mechanisme van scheurvoortplanting, en als de scheur zich blijft voortplanten, krijg je bulkbreuk.

Opmerkingen

• Zijn metalen echt polykristallijn? Wat zijn dan eenkristallen?
• Bijna al het metaal dat we tegenkomen is polykristallijn.

Metalen zijn vervormbaar en vervormbaar vanwege metallische hechting. Metallische binding is anders dan ionische en covalente binding. Metaalbinding is zijn eigen type binding. Metaalbindingen worden beschreven met de moderne bindingenleer door de Schrodinger-vergelijking op elk atoom toe te passen en de atomen steeds dichterbij te brengen om evenveel golffuncties te vormen als het aantal atomen. Er zijn bindingen en antibondgolfformaties die de mogelijke golffuncties beschrijven. Al deze vormen de mogelijke bandenergieën. Bindingen binnen een kristalstructuur houden de structuur alleen bij elkaar als de gemiddelde gebonden energietoestand lager is dan geïsoleerde staten. Metalen hebben een gemiddelde gebonden energiestructuur lager dan geïsoleerde atomen. Het fermi-niveau moet bekend zijn om erachter te komen wat er gebeurt naast de valentie-elektronen in een metaal. Tabellen voor dit energieniveau van verschillende metalen van belang kunnen worden opgezocht. Het fermi-energieniveau is de hoogste energie staat van alle gepaarde elektronen op het absolute nulpunt. Bij het absolute nulpunt zijn alle elektronen binnenin gepaard en vullen ze opeenvolgend de bezette toestanden van de bodemenergie tot de Fe rmi-energie. Wanneer een metaal wordt verwarmd, kunnen de elektronen naar hogere energietoestanden gaan, helemaal naar het vacuümniveau, het hoogst mogelijke antibond binnen de structuur. Voorbij het vacuümniveau wordt een elektron uit het metaal geworpen.De fermi-energie is belangrijk omdat het op wonderbaarlijke wijze de gemiddelde elektronenenergie in de metalen structuur boven het absolute nulpunt is. Er is een geleidingsband in metalen mogelijk gemaakt omdat alle orbitalen elkaar overlappen en het buitenste elektron een zeer laag ionisatieniveau heeft. De geleidingsband ligt zeer dicht bij het fermi-energieniveau. Er is heel weinig warmte- of potentiaalverschil nodig om de elektronen tegen de hogere geleidingstoestanden van energie te stoten om zich binnen de structuur ervan te verplaatsen. Het verschil tussen de fermi-energie en de geleidingsband staat losjes bekend als de Band Gap. In geleiders bestaat de Band Gap niet echt omdat de orbitalen een beweegbaar elektron overlappen en delen. Het orbitale overlappende en beweegbare elektron creëert een continu energiespectrum. De elektronen mogen continu hogere energietoestanden innemen. In wezen de gebonden toestand tussen twee metalen atomen zijn lager dan een enkel atoom en een enkel atoom moet zijn elektron ioniseren om de binding te vormen. Als je bekend bent met de werkfunctie van een metaal (Fermi-energieniveau + Foton-energie om elektron uit te werpen). de geleidingsband bevindt zich tussen dit punt en het fermi-niveau, maar in de orde van grootte van iets kleins genoeg waardoor het elektron heel gemakkelijk door de structuur kan bewegen en nooit tot een bepaald atoom behoort. De geleidingsband kan echter precies op het fermi-niveau zijn. Kwantummechanisch worden de elektronen in een metalen structuur weergegeven als bewegende golven. Het is bekend dat ze een soort elektronenwolk vormen binnen de structuur die de atomen aan elkaar lijmt met de coulombische aantrekkingskracht tussen de atomen geïoniseerde positieve ionenlading. Je kunt ballen netjes gestapeld met perfecte lagen en kubieke vorm visualiseren met een soort wolk die het bij elkaar houdt. Terwijl elektronen bewegen, creëren ze een gat en dit is een nieuwe locatie voor een ander elektron. De elektronen bewegen willekeurig of door geïmporteerde energie. Gemiddeld is er altijd voldoende elektronenlading om dingen aan elkaar te plakken, omdat er willekeurig een bepaald gemiddelde is om het gat te willen vullen of de externe energie die de elektronen een richting in het gat hebben van een bron verder terug. De vervormbaarheid en vervormbaarheid zijn het resultaat van de metallische binding. Omdat de elektronen gemakkelijk genoeg kunnen bewegen, kunnen de metaalatomen worden gemanipuleerd om op de gewenste manier te worden verschoven en niets verhindert de elektronenwolk om terug te bewegen rond de verschoven atomen. Door dit fenomeen lijken kneedbaarheid en vervormbaarheid mogelijk. De sterkte van het materiaal heeft te maken met de uitlijning van de kristalachtige formaties. d.w.z. een metaal wil beginnen in een hele kristalachtige formatie. Dat is de reden waarom een verzacht metel zacht wordt tijdens het langzame afkoelproces. De atomen proberen zich te vormen tot een perfect kristal. Maar omdat het snel genoeg wordt verwarmd en afgekoeld, zal deze kristalstructuur uiteenvallen in subkristalstructuren (een structuur gevormd door meer dan één kleinere kristalstructuur). Waarschijnlijk vanwege thermische dynamische principes. Misschien gebeuren de pieken van de elektronenwolk van warmere naar koelere gebieden op intrinsieke manieren om voldoende kracht te creëren langs bepaalde plekken om dingen evenredig te verschuiven naar de collectieve kracht van de subkristallen? Ongeacht dit proces geeft dit proces het hele metaal een sterker, brozer effect. Daarna kunnen de elektronen zoals voorheen rond het geharde staal drijven, maar de paden zijn veranderd. Voor kneedbaarheid en vervormbaarheid wordt de toestand van de kristalstructuur waarschijnlijk gemiddeld om dezelfde oorspronkelijke kristalvorming te behouden, maar de niveaus vallen in (d.w.z. de onderste / bovenste / aangrenzende niveaus). De elektronen stromen gewoon rond de geplette structuur alsof niets anders is tijdens en na het proces. Maar druk creëert warmte en deze warmte dwingt het atoom om in hogere energietoestanden te blijven (gemiddeld). De hogere staten zijn anti-gebonden staten, dus er is geen lijm die het atoom aan zijn buren vasthoudt totdat de kracht is verwijderd. Wanneer een metaal wordt verwarmd, neemt het aantal anti-gebonden elektronenenergie toe en is het gemakkelijker om het staal te manipuleren tot een gewenste vorm omdat de elektronen naar koelere gebieden willen afdrijven. Dus de hoeveelheid lijm die de verwarmde structuur vasthoudt, neemt evenredig af met de hoeveelheid warmte. Vervormbaarheid en vervormbaarheid klinken vrijwel hetzelfde omdat ze dezelfde hoeveelheden verwarming of koeling met zich meebrengen.

Reacties

• Ik heb je hele antwoord gelezen, ik zie dat het twee antipathieën heeft. Hoewel het antwoord van chemomechanica hierboven beter is, omdat het duidelijker, korter en beter is georganiseerd, denk ik dat je antwoord niet slecht is. Het probleem is dat het dit enkele lelijke blok tekst is, maak altijd om de paar zinnen ruimte om het leesbaarder te maken. Zoals ik al eerder zei (geschreven), was er goede kennis in je bericht, als het je was gelukt om die informatie te verstrekken in een mooier ” pakket “, denk ik dat je upvotes zou krijgen in plaats van downvotes.
• Kunt u alstublieft wat alineaopmaak toevoegen?