Por que os metais são maleáveis e dúcteis?

Vamos fazer uma comparação com a cerâmica, que – da mesma forma os metais são geralmente dúcteis – geralmente frágeis.

Primeiro, observe que os cristais (e os metais e as cerâmicas são geralmente policristalinos) podem deformar por meio do movimento de deslocamento. Um deslocamento é um defeito de linha que carrega plasticidade através de um cristal. A analogia clássica é mover um tapete chutando uma ruga por seu comprimento. Você não precisa deformar o cristal inteiro de uma vez; você só precisa varrer um (ou vários) deslocamentos através do material, quebrando um número relativamente pequeno de ligações de cada vez.

Aqui está uma ilustração simples de um deslocamento curvo carregando um cisalhamento através de um cristal; a passagem do deslocamento deixa uma nova etapa permanente:

Portanto, esta é uma maneira muito conveniente de obter deformação permanente. No entanto, é muito mais fácil quebrar essas ligações em metais do que em cerâmicas porque as ligações metálicas no primeiro são mais fracas do que as ligações iônicas / covalentes no último (como evidenciado pelo fato de que as cerâmicas são geralmente refratárias, ou seja, têm altas temperaturas de fusão). Em particular, a natureza deslocalizada dos elétrons nos metais permite que o deslocamento deslize facilmente . Isso equivale a ductilidade / maleabilidade. (Os dois termos são idênticos para esta discussão; eles diferem apenas no tipo de condições de carregamento que resultam em deformação fácil.)

Além disso, em metais com uma estrutura cristalina cúbica centrada na face (pense em ouro ou cobre, por exemplo), a simetria estrutural fornece muitos possíveis planos de deslizamento ao longo dos quais os deslocamentos podem se propagar facilmente. Isso equivale a ainda maior ductilidade / maleabilidade.

Aqui está uma ilustração de uma estrutura cúbica de face centrada; o empacotamento próximo de átomos em vários planos permite que os deslocamentos saltem apenas distâncias curtas, facilitando muito sua passagem :

Em contraste, o movimento de deslocamento é tão dificultado na cerâmica (porque as ligações são direcionais e as cargas são rigidamente fixadas) que pode ser necessária menos energia para simplesmente quebrar todas as ligações de uma vez, correspondendo à fratura e fragilidade em massa.

Uma consequência dessas diferenças microscópicas entre metais e cerâmicas é a maneira como eles respondem a rachaduras ou falhas. Uma rachadura aguda produz uma concentração de tensão, essencialmente porque o campo de tensão tem que se torcer bruscamente em torno dela. Em um metal, essa concentração de tensão não é ” t muito problemático – alguns deslocamentos irão se mover, resultando em deformação plástica e embotamento da trinca ti p. Essa opção é muito menos provável em uma cerâmica por causa dos impedimentos ao movimento de deslocamento. Pode ser mais fácil quebrar as ligações permanentemente e formar uma nova superfície aberta na área anteriormente de alta tensão. Este é o mecanismo de propagação da trinca e, se a trinca continuar a se propagar, você terá uma fratura em massa.

Comentários

• Os metais são realmente policristalinos? O que são cristais únicos então?
• Quase todo metal que encontramos é policristalino.

Os metais são maleáveis e dúcteis devido à ligação metálica. A ligação metálica é diferente da ligação iônica e covalente. A ligação metálica é o seu próprio tipo de ligação. As ligações metálicas são descritas com a moderna teoria das ligações aplicando a equação de Schrodinger a cada átomo e aproximando os átomos cada vez mais para formar tantas funções de onda quanto o número de átomos. ligações e formações de onda anti-ligações que descrevem as funções de onda possíveis. Todas estas formam as energias de banda possíveis. As ligações dentro de uma estrutura cristalina apenas mantêm a estrutura unida se o estado médio de energia ligada for inferior ao dos estados isolados. Os metais têm uma estrutura de energia ligada média inferior do que átomos isolados. O nível de fermi deve ser conhecido para descobrir o que acontece ao lado dos elétrons de valência dentro de um metal. As tabelas para este nível de energia de diferentes metais de interesse podem ser consultadas. O nível de energia de fermi é a energia superior estado de todos os elétrons emparelhados no zero absoluto. No zero absoluto, todos os elétrons internos são emparelhados e preenchem sequencialmente os estados ocupáveis da energia inferior ao Fe energia rmi. Quando um metal é aquecido, os elétrons podem se mover para estados de energia mais elevados até o nível de vácuo, que é o mais alto nível possível dentro da estrutura. Após o nível de vácuo, um elétron é ejetado do metal.A energia férmica é importante porque é milagrosamente a energia média do elétron dentro da estrutura metálica acima do zero absoluto. Existe uma banda de condução em metais possibilitada porque todos os orbitais se sobrepõem e o elétron externo tem um nível de ionização muito baixo. A banda de condução está muito próxima do nível de energia fermi. Muito pouco calor ou diferença de potencial é necessária para impulsionar os elétrons até os estados de condução de energia mais elevados para se moverem dentro de sua estrutura. A diferença entre a energia fermi e a banda de condução é vagamente conhecida como Band Gap. Nos condutores, o Band Gap não existe realmente devido à sobreposição dos orbitais e compartilhamento de um elétron móvel. A sobreposição orbital e o elétron móvel criam um espectro de energia contínuo. Os elétrons podem ocupar continuamente estados de energia mais elevados. Basicamente, o estado ligado entre dois metais átomos é menor do que um único átomo e um único átomo tem que ionizar seu elétron para formar a ligação. Se você está familiarizado com a função de trabalho de um metal (nível de energia Fermi + energia do fóton para ejetar o elétron). a banda de condução está entre este ponto e o nível fermi, mas na ordem de algo pequeno o suficiente para permitir que o elétron se mova ao redor da estrutura com muita facilidade e nunca pertença a um átomo particular. No entanto, a banda de condução pode estar no nível de fermi. Na mecânica quântica, os elétrons dentro de uma estrutura metálica são representados como ondas viajantes. Eles são conhecidos por formar uma espécie de nuvem de elétrons dentro da estrutura, unindo os átomos com a atração coulômbica entre a carga de íons positivos ionizados dos átomos. Você pode visualizar bolas empilhadas ordenadamente com camadas perfeitas e forma cúbica com um tipo de nuvem segurando-as juntas. Conforme os elétrons se movem, eles criam um buraco e este é um novo local para um elétron diferente. Os elétrons se movem aleatoriamente ou por energia imputada. Em média, sempre há carga de elétrons suficiente para unir as coisas porque, aleatoriamente, há uma certa média para preencher o buraco ou porque a energia externa dos elétrons tem uma direção para o buraco vinda de uma fonte mais atrás. A maleabilidade e a dutabilidade resultam da ligação metálica. Como os elétrons podem se mover facilmente, os átomos metálicos podem ser manipulados para serem deslocados da maneira desejada e nada impede que a nuvem de elétrons se mova de volta ao redor dos átomos deslocados. A maleabilidade e a dutabilidade parecem ser possíveis devido a este fenômeno. A força do material tem a ver com o alinhamento das formações cristalinas. ou seja, um metal quer começar em uma formação semelhante a um cristal inteiro. É por isso que um metel amolecido amolece durante o processo de resfriamento lento. Os átomos tentam formar um cristal perfeito. Mas, à medida que é aquecido e resfriado rápido o suficiente, essa estrutura cristalina se divide em estruturas subcristais (uma estrutura formada por mais de uma estrutura cristalina menor). Provavelmente por causa dos princípios de dinâmica térmica. Talvez as ondas de nuvem de elétrons das regiões mais quentes para as mais frias aconteçam de maneiras intrínsecas para criar força suficiente ao longo de certos pontos para mudar as coisas proporcionalmente à força coletiva dos subcristais? Independentemente disso, esse processo dá ao metal todo um efeito mais forte e quebradiço. Depois disso, os elétrons podem flutuar em torno do aço endurecido como antes, mas os caminhos mudaram. Para maleabilidade e dutabilidade, o estado da estrutura do cristal é provavelmente calculado para manter a mesma formação de cristal original, mas os níveis se comprimem (ou seja, os níveis inferior / superior / adjacente). Os elétrons simplesmente fluem em torno da estrutura esmagada como se nada fosse diferente durante e após o processo. Mas a pressão cria calor e esse calor força o átomo a permanecer em estados de energia mais alta (em média). Os estados mais altos são estados anti-ligados, de forma que não há cola segurando o átomo em seus vizinhos até que a força seja removida. Quando um metal é aquecido, o número de energia do elétron anti-ligado aumenta e é mais fácil manipular o aço em um nível desejado forma porque os elétrons estão querendo derivar para regiões mais frias. Portanto, a quantidade de cola retida na estrutura aquecida diminui proporcionalmente à quantidade de calor. Maleabilidade e Dutibilidade parecem quase iguais porque envolvem as mesmas quantidades de aquecimento ou resfriamento p>

Comentários

• Li sua resposta inteira, vejo que ela tem dois pontos negativos. Embora a resposta da quimiomecânica acima seja melhor, torne-se mais clara, mais curta e melhor organizado, acho que sua resposta não é ruim. O problema é que é esse único bloco de texto feio, sempre abra espaço a cada poucas frases para torná-lo mais legível. Como eu disse (escrito) antes, havia um bom conhecimento em sua postagem, se você tivesse conseguido fornecer essas informações em um ” pacote ” melhor, acho que você obteria votos positivos em vez de votos negativos.
• Você pode adicionar alguma formatação de parágrafo?