¿Por qué los metales son maleables y dúctiles?

Hagamos una comparación con la cerámica, que, al igual que Los metales son generalmente dúctiles, generalmente frágiles.

En primer lugar, tenga en cuenta que los cristales (y los metales y las cerámicas son generalmente policristalinos) pueden deformarse mediante el movimiento de dislocación. Una dislocación es un defecto lineal que transporta plasticidad a través de un cristal. La analogía clásica es mover una alfombra pateando una arruga a lo largo de su longitud. No es necesario deformar todo el cristal de una vez; solo necesita barrer una (o muchas) dislocaciones a través del material, rompiendo un número relativamente pequeño de uniones a la vez.

Aquí hay una ilustración simple de una dislocación curva que lleva una cizalla a través de un cristal; el pasaje de la dislocación deja un nuevo paso permanente:

Así que esta es una forma muy conveniente de lograr la deformación permanente. Sin embargo, es mucho más fácil romper estos enlaces en metales que en cerámicas porque los enlaces metálicos en los primeros son más débiles que los enlaces iónicos / covalentes en el último (como lo demuestra el hecho de que las cerámicas son generalmente refractarias, es decir, tienen altas temperaturas de fusión). En particular, la naturaleza deslocalizada de los electrones en los metales permite que la dislocación se escape fácilmente . Esto equivale a ductilidad / maleabilidad. (Los dos términos son idénticos para esta discusión; difieren solo en el tipo de condiciones de carga que resultan en una deformación fácil).

Además, en metales con una estructura cristalina cúbica centrada en la cara (piense en oro o cobre, por ejemplo), la simetría estructural proporciona muchos planos de deslizamiento posibles a lo largo de los cuales las dislocaciones pueden propagarse fácilmente. Esto equivale a una ductilidad / maleabilidad aún mayor.

Aquí hay una ilustración de una estructura cúbica centrada en la cara; el empaquetamiento cercano de átomos en múltiples planos permite que las dislocaciones salten solo distancias cortas, lo que facilita enormemente su paso :

En contraste, El movimiento de dislocación está tan fuertemente obstaculizado en la cerámica (porque los enlaces son direccionales y las cargas están rígidamente fijas) que puede tomar menos energía simplemente romper todos los enlaces a la vez, lo que corresponde a la fractura general y la fragilidad.

Una consecuencia de estas diferencias microscópicas entre metales y cerámicas es la forma en que responden a las grietas o defectos. Una grieta aguda produce una concentración de tensión, esencialmente porque el campo de tensión tiene que girar bruscamente a su alrededor. En un metal, esta concentración de tensión no es » Es un gran problema: algunas dislocaciones se moverán, lo que provocará una deformación plástica y un embotamiento de la grieta. pag. Esta opción es mucho menos probable en una cerámica debido a los impedimentos al movimiento de dislocación. Puede que sea más fácil romper los enlaces de forma permanente y formar una nueva superficie abierta en el área que antes era de alta tensión. Este es el mecanismo de propagación de la grieta, y si la grieta continúa propagándose, se produce una fractura en masa.

Comentarios

• ¿Son los metales realmente policristalinos? Entonces, ¿qué son los monocristales?
• Casi todo el metal que encontramos es policristalino.

Los metales son maleables y dúctiles debido a la unión metálica. El enlace metálico es diferente del enlace iónico y covalente. El enlace metálico es su propio tipo de enlace. Los enlaces metálicos se describen con la teoría moderna de enlaces aplicando la ecuación de Schrodinger a cada átomo y acercando los átomos cada vez más para formar tantas funciones de onda como el número de átomos. Hay enlaces y formaciones de ondas antienlace que describen las posibles funciones de onda. Todos estos forman las posibles energías de banda. Los enlaces dentro de una estructura cristalina solo mantienen la estructura unida si el estado de energía de enlace promedio es más bajo que los estados aislados. Los metales tienen una estructura de energía de enlace promedio más baja que los átomos aislados. El nivel de fermi tiene que ser conocido para averiguar qué sucede junto a los electrones de valencia dentro de un metal. Se pueden buscar tablas para este nivel de energía de diferentes metales de interés. El nivel de energía de fermi es la energía superior estado de todos los electrones emparejados en el cero absoluto. En el cero absoluto, todos los electrones dentro están emparejados y llenan secuencialmente los estados ocupables desde la energía inferior al Fe energía rmi. Cuando se calienta un metal, los electrones pueden moverse a estados de mayor energía hasta el nivel de vacío, que es el mayor antienlace posible dentro de la estructura. Más allá del nivel de vacío, se expulsa un electrón del metal.La fermi-energía es importante porque milagrosamente es la energía promedio de los electrones dentro de la estructura metálica por encima del cero absoluto. Existe una banda de conducción en los metales que se hace posible porque todos los orbitales se superponen y el electrón externo tiene un nivel de ionización muy bajo. La banda de conducción está muy cerca del nivel de energía fermi. Se necesita muy poca diferencia de calor o potencial para impulsar a los electrones a los estados de conducción más altos de energía para moverse dentro de su estructura. La diferencia entre la energía fermi y la banda de conducción se conoce libremente como Band Gap. En los conductores, el Band Gap no existe realmente debido a que los orbitales se superponen y comparten un electrón móvil. El electrón superpuesto y móvil orbital crea un espectro de energía continuo. Los electrones pueden ocupar continuamente estados de energía más altos. Básicamente, el estado enlazado entre dos metales átomos es menor que un solo átomo y un solo átomo tiene que ionizar su electrón para formar el enlace. Si está familiarizado con la función de trabajo de un metal (nivel de energía de Fermi + energía de fotón para expulsar un electrón). la banda de conducción se encuentra entre este punto y el nivel de fermi, pero del orden de algo lo suficientemente pequeño como para permitir que el electrón se mueva por la estructura con mucha facilidad y nunca pertenezca a un átomo en particular. Sin embargo, la banda de conducción podría estar al nivel de fermi. Mecánicamente cuántica, los electrones dentro de una estructura metálica se representan como ondas viajeras. Se sabe que forman una especie de nube de electrones dentro de la estructura que pega los átomos junto con la atracción culómbica entre los átomos con carga de iones positivos ionizados. Puede visualizar bolas perfectamente apiladas con capas perfectas y forma cúbica con un tipo de nube que las mantiene juntas. A medida que los electrones se mueven, crean un agujero y esta es una nueva ubicación para un electrón diferente. Los electrones se mueven al azar o por energía de entrada. En promedio, siempre hay suficiente carga de electrones para unir las cosas porque, aleatoriamente, hay un cierto promedio para querer llenar el agujero o una energía externa en la que los electrones tienen una dirección hacia el interior del agujero desde una fuente más atrás. La maleabilidad y ductabilidad es el resultado de la unión metálica. Debido a que los electrones pueden moverse con bastante facilidad, los átomos metálicos pueden manipularse para desplazarse de la forma deseada y nada impide que la nube de electrones retroceda alrededor de los átomos desplazados. La maleabilidad y la ductabilidad parecen ser posibles debido a este fenómeno. La fuerza del material tiene que ver con la alineación de las formaciones cristalinas. es decir, un metal quiere comenzar en una formación cristalina completa. Es por eso que un metel ablandado se ablanda durante el proceso de enfriamiento lento. Los átomos intentan formar un cristal perfecto. Pero a medida que se calienta y enfría lo suficientemente rápido, esta estructura cristalina se romperá en estructuras subcristalinas (una estructura formada por más de una estructura cristalina más pequeña). Probablemente debido a los principios de dinámica térmica. ¿Quizás las oleadas de la nube de electrones de regiones más calientes a más frías ocurren de manera intrínseca para crear suficiente fuerza a lo largo de ciertos puntos para cambiar las cosas proporcionalmente a la fuerza colectiva de los subcristales? Independientemente, este proceso le da a todo el metal un efecto más fuerte y quebradizo. Posteriormente, los electrones pueden desplazarse alrededor del acero endurecido como antes, pero las vías han cambiado. Para maleabilidad y ductabilidad, el estado de la estructura cristalina probablemente se promedia para mantener la misma formación cristalina original pero los niveles se aplastan (es decir, los niveles inferior / superior / adyacente). Los electrones simplemente fluyen alrededor de la estructura aplastada como si nada fuera diferente durante y después del proceso. Pero la presión crea calor y este calor obliga al átomo a permanecer en estados de mayor energía (en promedio). Los estados superiores son estados anti-adheridos, por lo que no hay pegamento que sujete el átomo a sus vecinos hasta que se elimine la fuerza. Cuando se calienta un metal, el número de energía de electrones anti-adheridos aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada. forma porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Por lo tanto, la cantidad de pegamento que se mantiene en la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductabilidad suenan muy parecidas porque implican las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento.

Comentarios

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