Dlaczego metale są kowalne i ciągliwe?

Narysujmy porównanie z ceramiką, która – tak jak metale są na ogół plastyczne – przeważnie kruche.

Po pierwsze, należy zauważyć, że kryształy (a także metale i materiały ceramiczne są na ogół polikrystaliczne) mogą odkształcać się w wyniku ruchu przemieszczenia. Klasyczna analogia to przesuwanie dywanu poprzez kopnięcie zmarszczki na jego długości. Nie trzeba odkształcać całego kryształu na raz; wystarczy przeciągnąć jedną (lub wiele) dyslokacji przez materiał, przerywając jednocześnie stosunkowo niewielką liczbę wiązań.

Oto prosta ilustracja zakrzywionej dyslokacji przenoszącej ścinanie przez kryształ; przejście przemieszczenia pozostawia nowy stały krok:

Jest to więc bardzo wygodny sposób na osiągnięcie trwałej deformacji. Jednak o wiele łatwiej jest zerwać te wiązania w metalach niż w ceramice, ponieważ wiązania metaliczne w tych pierwszych są słabsze niż wiązania jonowe / kowalencyjne w drugie (o czym świadczy fakt, że materiały ceramiczne są ogólnie ogniotrwałe, tj. mają wysokie temperatury topnienia). W szczególności zdelokalizowany charakter elektronów w metalach umożliwia ich łatwe przemieszczenie . Jest to równoznaczne z ciągliwością / ciągliwością. (Te dwa terminy są identyczne w tej dyskusji; różnią się tylko rodzajem warunków obciążenia, które powodują łatwe odkształcenie).

Dodatkowo, w metalach o sześciennej strukturze krystalicznej centrowanej na powierzchni (pomyśl o złocie lub na przykład miedź), symetria strukturalna zapewnia wiele możliwych płaszczyzn poślizgu , wzdłuż których dyslokacje mogą się łatwo propagować. Jest to równoznaczne z jeszcze większą plastycznością / ciągliwością.

Oto ilustracja struktury sześciennej wyśrodkowanej na twarzy; ścisłe upakowanie atomów na wielu płaszczyznach pozwala przemieszczeniom przeskakiwać tylko na krótkie odległości, co znacznie ułatwia ich przejście :

W przeciwieństwie do ruch dyslokacyjny jest tak silnie utrudniony w ceramice (ponieważ wiązania są kierunkowe, a ładunki sztywno zamocowane), że po prostu zerwanie wszystkich wiązań na raz może wymagać mniej energii, co odpowiada pękaniu masowemu i kruchości.

Jedną z konsekwencji tych mikroskopijnych różnic między metalami i ceramiką jest sposób, w jaki reagują one na pęknięcia lub wady. Ostre pęknięcie powoduje koncentrację naprężeń, głównie dlatego, że pole naprężeń musi gwałtownie obrócić się wokół niego. W metalu ta koncentracja naprężeń nie jest ” jest to duży problem – niektóre dyslokacje zostaną przesunięte, powodując odkształcenie plastyczne i stępienie pęknięcia ti p. Ta opcja jest znacznie mniej prawdopodobna w przypadku ceramiki ze względu na utrudnienia w ruchu przemieszczania. Może być po prostu łatwiejsze trwałe zerwanie wiązań i utworzenie nowej otwartej powierzchni w obszarze, który wcześniej był narażony na duże obciążenia. Na tym polega mechanizm propagacji pęknięć i jeśli pęknięcie nadal się rozprzestrzenia, dochodzi do pękania masowego.

Komentarze

• Czy metale są naprawdę polikrystaliczne? Czym w takim razie są monokryształy?
• Prawie cały napotkany metal jest polikrystaliczny.

Metale są kowalne i sferoidalne ze względu na ich wiązanie. Wiązanie metaliczne różni się od wiązania jonowego i kowalencyjnego. Wiązanie metaliczne jest jego własnym rodzajem wiązania. Wiązania metaliczne opisuje współczesna teoria wiązań, stosując równanie Schrodingera do każdego atomu i przybliżając atomy, aby utworzyły tyle funkcji falowych, ile jest atomów. wiązania i formacje fal antybakteryjnych opisujące możliwe funkcje falowe. Wszystkie z nich tworzą możliwe energie pasm. Wiązania w strukturze kryształu utrzymują strukturę razem tylko wtedy, gdy średni stan energii związanej jest niższy niż stany izolowane. Metale mają średnią strukturę energii związanej niższą niż izolowane atomy. Poziom Fermiego musi być znany, aby w pewnym sensie dowiedzieć się, co dzieje się z elektronami walencyjnymi w metalu. Można wyszukać tabele dla tego poziomu energii różnych metali będących przedmiotem zainteresowania. Poziom energii fermiego to najwyższa energia stan wszystkich sparowanych elektronów w zera absolutnego. W zera absolutnego wszystkie elektrony w nich są sparowane i sekwencyjnie wypełniają zajmowane stany od dolnej energii do Fe energia rmi. Kiedy metal jest podgrzewany, elektrony mogą przejść do wyższych stanów energetycznych aż do poziomu próżni, który jest najwyższym możliwym antybakteryjnym w strukturze. Po przekroczeniu poziomu próżni elektron jest wyrzucany z metalu.Energia fermi jest ważna, ponieważ w cudowny sposób jest średnią energią elektronów w strukturze metalicznej powyżej zera absolutnego. W metalach istnieje pasmo przewodnictwa, które jest możliwe dzięki temu, że wszystkie orbitale zachodzą na siebie, a zewnętrzny elektron ma bardzo niski poziom jonizacji. Pasmo przewodnictwa jest bardzo zbliżone do poziomu energii fermiego. Bardzo mała różnica ciepła lub potencjału jest potrzebna, aby podbić elektrony do wyższych stanów przewodzenia energii i poruszać się w ich strukturze. Różnica między energią fermiego a pasmem przewodnictwa jest ogólnie nazywana przerwą pasmową. W przewodnikach przerwa pasmowa tak naprawdę nie istnieje, ponieważ orbitale zachodzą na siebie i dzielą ruchomy elektron. Nakładający się na orbitę i ruchomy elektron tworzy ciągłe widmo energii. Elektrony mogą stale zajmować wyższe stany energii. Zasadniczo stan związany między dwoma metalami atomy są niższe niż pojedynczy atom i pojedynczy atom musi zjonizować swój elektron, aby utworzyć wiązanie. Jeśli znasz funkcję pracy metalu (poziom energii Fermiego + energia fotonu do wyrzucenia elektronu). pasmo przewodnictwa znajduje się między tym punktem a poziomem Fermiego, ale jest rzędu czegoś wystarczająco małego, co umożliwia elektronowi bardzo łatwe poruszanie się po strukturze i nigdy nie należy do konkretnego atomu. Jednak pasmo przewodnictwa może być na poziomie fermiego. Mechanicznie kwantowo elektrony w strukturze metalicznej są przedstawiane jako fale wędrujące. Wiadomo, że tworzą pewnego rodzaju chmurę elektronową w strukturze, sklejając atomy razem z kulombowskim przyciąganiem między atomami zjonizowanego dodatniego ładunku jonów. Możesz wizualizować kule starannie ułożone w stosy z doskonałymi warstwami i sześcienną formą z pewnego rodzaju chmurą trzymającą je razem. Gdy elektrony poruszają się, tworzą dziurę i jest to nowe miejsce dla innego elektronu. Elektrony poruszają się losowo lub za pomocą energii imput. Przeciętnie ładunek elektronów jest zawsze wystarczający, aby skleić rzeczy razem, ponieważ losowo istnieje pewna średnia, aby wypełnić dziurę lub energię zewnętrzną, którą elektrony mają kierunek do otworu ze źródła znajdującego się dalej. Kowalność i ciągliwość jest wynikiem połączenia metalicznego. Ponieważ elektrony mogą się dość łatwo poruszać, można manipulować atomami metalu w celu ich przesunięcia w pożądany sposób i nic nie ogranicza chmury elektronów do przemieszczania się z powrotem wokół przesuniętych atomów. Wydaje się, że plastyczność i ciągliwość są możliwe dzięki temu zjawisku. Siła materiału ma związek z ustawieniem formacji podobnych do kryształów. tj. metal chce rozpocząć się w jednej formacji przypominającej cały kryształ. Dlatego zmiękczony metal mięknie podczas powolnego procesu chłodzenia. Atomy próbują uformować się w doskonały kryształ. Ale gdy jest wystarczająco szybko ogrzewana i chłodzona, ta struktura kryształu rozpadnie się na struktury podkrystaliczne (struktura utworzona przez więcej niż jedną mniejszą strukturę krystaliczną). Prawdopodobnie z powodu zasad dynamiki termicznej. Być może fale chmury elektronów z cieplejszych do chłodniejszych regionów zachodzą w sposób wewnętrzny, aby wytworzyć wystarczającą siłę wzdłuż pewnych miejsc, aby przesunąć rzeczy wokół proporcjonalnej do zbiorowej siły subkryształów? Niezależnie od tego procesu cały metal jest silniejszy, bardziej kruchy. Następnie elektrony mogą dryfować po utwardzonej stali, jak poprzednio, ale ścieżki się zmieniły. W przypadku ciągliwości i ciągliwości, stan struktury kryształu jest prawdopodobnie uśredniany, aby zachować tę samą pierwotną formację kryształu, ale poziomy zgniatają (tj. Poziomy dolny / górny / przyległy). Elektrony po prostu przepływają wokół zgniecionej struktury, jakby nic się nie zmieniło w trakcie i po procesie. Ale ciśnienie wytwarza ciepło i to ciepło zmusza atom do pozostania w wyższych stanach energetycznych (średnio). Wyższe stany są stanami anty-związanymi, więc nie ma kleju utrzymującego atom w jego sąsiedztwie, dopóki siła nie zostanie usunięta. Gdy metal jest podgrzewany, liczba antypowiązanych elektronów wzrasta i łatwiej jest manipulować stalą w pożądanym kształt, ponieważ elektrony chcą dryfować w chłodniejsze regiony. Zatem ilość kleju utrzymującego ogrzaną strukturę zmniejsza się proporcjonalnie do ilości ciepła. Ciągliwość i ciągliwość brzmią bardzo podobnie, ponieważ obejmują te same ilości ogrzewania lub chłodzenia.

Komentarze

• Przeczytałem całą twoją odpowiedź, widzę, że ma dwie nielubiane. Podczas gdy powyższa odpowiedź chemomechaniki jest lepsza, ponieważ jest jaśniejsza, krótsza i lepsza uporządkowane, myślę, że twoja odpowiedź nie jest zła. Problem polega na tym, że to ten pojedynczy brzydki blok tekstu, zawsze zrób spację co kilka zdań, aby był bardziej czytelny. Tak jak powiedziałem (napisałem) wcześniej, w twoim poście była dobra wiedza, gdybyś zdołał przekazać te informacje w ładniejszym ” pakiecie „, myślę, że zamiast głosów przeciwnych dostalibyście głosy za.
• Czy możesz dodać formatowanie akapitu?