De ce sunt metalele maleabile și ductile?

Să facem o comparație cu ceramica, care – la fel ca metalele sunt în general ductile – sunt în general fragile.

În primul rând, rețineți că cristalele (și metalele și ceramica sunt ambele în general policristaline) se pot deforma prin mișcare de dislocare. O dislocare este un defect liniar care transportă plasticitatea printr-un cristal. Analogia clasică este mutarea unui covor lovind o ridură pe lungimea acestuia. Nu este nevoie să deformați întregul cristal simultan; trebuie doar să măturați una (sau mai multe) luxații prin material, rupând un număr relativ mic de legături la un moment dat.

Aici „o ilustrare simplă a unei luxații curbate care transportă forfecarea printr-un cristal; trecerea a dislocării lasă un nou pas permanent:

Deci, acesta este un mod foarte convenabil de a obține deformarea permanentă. Cu toate acestea, este mult mai ușor să rupeți aceste legături în metale decât în ceramică, deoarece legăturile metalice din prima sunt mai slabe decât legăturile ionice / covalente din acesta din urmă (dovadă este faptul că ceramica este în general refractară, adică are temperaturi ridicate de topire). În special, natura delocalizată a electronilor din metale permite dislocarea pentru a să alunece cu ușurință . Acest lucru echivalează cu ductilitate / maleabilitate. (Cei doi termeni sunt identici pentru această discuție; diferă doar în ceea ce privește tipul de condiții de încărcare care duc la o deformare ușoară.)

În plus, în metalele cu o structură cristalină cubică centrată pe față (cred că aurul sau cupru, de exemplu), simetria structurală oferă multe planuri de alunecare posibile de-a lungul cărora dislocările se pot propaga cu ușurință. Acest lucru echivalează cu o ductilitate / maleabilitate și mai mare.

Iată o ilustrare a unei structuri cubice centrate pe față; împachetarea strânsă a atomilor pe mai multe planuri permite luxațiilor să sară doar pe distanțe scurte, ușurând foarte mult trecerea lor :

În schimb, mișcarea de dislocare este atât de puternic împiedicată în ceramică (deoarece legăturile sunt direcționale și sarcinile sunt fixate rigid) încât poate fi nevoie de mai puțină energie pentru a rupe pur și simplu toate legăturile simultan, ceea ce corespunde fracturii în vrac și fragilității.

O consecință a acestor diferențe microscopice între metale și ceramică este modul în care acestea răspund la fisuri sau defecte. O fisură ascuțită produce o concentrație de stres, în esență, deoarece câmpul de stres trebuie să se răsucească brusc în jurul său. Într-un metal, această concentrație de stres nu este ” O mare problemă – unele luxații se vor mișca, rezultând deformarea plastică și tocirea fisurii ti p. Această opțiune este mult mai puțin probabilă într-o ceramică din cauza impedimentelor la mișcarea dislocării. Poate fi mai ușor să rupeți legăturile permanent și să formați o nouă suprafață deschisă în zona fostă cu stres ridicat. Acesta este mecanismul de propagare a fisurilor și, dacă fisura continuă să se propage, veți obține o fractură în bloc.

Comentarii

• Metalele sunt într-adevăr policristaline? Ce sunt atunci cristalele unice?
• Aproape tot metalul pe care îl întâlnim este policristalin.

Metalele sunt maleabile și ductile datorită lipirii metalice. Legătura metalică este diferită de legătura ionică și covalentă. Legătura metalică este propriul tip de legătură. Legăturile metalice sunt descrise cu teoria modernă a legăturilor prin aplicarea ecuației schrodinger la fiecare atom și aducerea atomilor din ce în ce mai aproape pentru a forma la fel de multe funcții de undă ca numărul de atomi. Există legăturile și formațiunile de unde de legături care descriu posibilele funcții de undă. Toate acestea formează posibilele energii de bandă. Legăturile dintr-o structură cristalină țin structura împreună numai dacă starea medie de energie legată este mai mică decât stările izolate. Metalele au o structură medie de energie legată mai mică decât atomii izolați. Nivelul fermi trebuie cunoscut pentru a afla ce se întâmplă lângă electronii de valență dintr-un metal. Se pot căuta tabele pentru acest nivel de energie din diferite metale de interes. Nivelul fermi de energie este energia de vârf starea tuturor electronilor asociați la zero absolut. La zero absolut toți electronii din interior sunt împerecheați și umple secvențial stările ocupabile de la energia inferioară la Fe energie rmi. Atunci când un metal este încălzit, electronii se pot deplasa la stări de energie mai ridicate până la nivelul de vid, care este cel mai mare antibond posibil în cadrul structurii. După nivelul de vid, un electron este evacuat din metal.Energia fermi este importantă deoarece este în mod miraculos energia medie a electronilor din structura metalică peste zero absolut. Există o bandă de conducere în metale făcută posibilă, deoarece toți orbitalii se suprapun, iar electronul exterior are un nivel de ionizare foarte scăzut. Banda de conducere este foarte aproape de nivelul fermi de energie. Este nevoie de foarte puțină căldură sau diferență de potențial pentru a ciocni electronii până la stările superioare de conducere a energiei pentru a se deplasa în structura sa. Diferența dintre energia fermi și banda de conducere este cunoscută sub numele de Band Gap. În dirijori, Band Gap nu există într-adevăr din cauza suprapunerii și împărțirii orbitalelor cu un electron mobil. Electronul suprapus orbital și cel mobil creează un spectru continuu de energie. Electronilor li se permite continuu să ocupe stări de energie mai mari. Practic starea legată între două metal atomii sunt mai mici decât un singur atom și un singur atom trebuie să-și ionizeze electronul pentru a forma legătura. Dacă sunteți familiarizat cu funcția de lucru a unui metal (nivelul de energie Fermi + Energia fotonului pentru a scoate electronul). banda de conducere se află între acest punct și nivelul fermi, dar la ordinea a ceva suficient de mic care permite electronului să se deplaseze în jurul structurii foarte ușor și să nu aparțină niciodată unui anumit atom. Cu toate acestea, banda de conducere ar putea fi chiar la nivelul fermi. Cuantic, electronii dintr-o structură metalică sunt reprezentați ca unde călătoare. Se știe că formează un fel de nor de electroni în cadrul structurii care lipesc atomii împreună cu atracția coulombică dintre atomii încărcați cu ioni pozitivi ionizați. Puteți vizualiza bile stivuite cu straturi perfecte și formă cubică, cu un tip de nor care îl ține împreună. Pe măsură ce electronii se mișcă, ei creează o gaură și aceasta este o locație nouă pentru un electron diferit. Electronii se mișcă aleatoriu sau prin energie imputată. În medie, există întotdeauna suficientă sarcină de electroni pentru a lipi lucrurile împreună, deoarece în mod aleatoriu există o anumită medie care dorește să umple gaura sau energia externă, electronii au o direcție în gaură de la o sursă mai în spate. Maleabilitatea și ductabilitatea sunt rezultatul lipirii metalice. Deoarece electronii se pot deplasa suficient de ușor, atomii metalici pot fi manipulați pentru a se deplasa în modul dorit și nimic nu restricționează norul de electroni să se miște înapoi în jurul atomilor deplasați. Maleabilitatea și ductabilitatea par a fi posibile datorită acestui fenomen. Puterea materialului are legătură cu alinierea formațiunilor asemănătoare cristalului. Adică un metal dorește să înceapă într-un întreg cristal, ca o formație. Motiv pentru care un metel înmuiat devine moale în timpul procesului de răcire lentă. Atomii încearcă să se formeze într-un cristal perfect. Dar, pe măsură ce este încălzit și răcit suficient de repede, această structură cristalină se va sparge în structuri sub-cristale (o structură formată din mai multe structuri cristaline mai mici). Probabil din cauza principiilor dinamice termice. Poate că creșterile norului de electroni din regiunile mai calde în cele mai reci se întâmplă în moduri intrinseci pentru a crea suficientă forță de-a lungul anumitor pete pentru a schimba lucrurile în proporție cu puterea colectivă a sub cristalelor? Indiferent, acest proces conferă întregului metal un efect mai puternic și mai fragil. Ulterior, electronii pot deriva în jurul oțelului întărit ca înainte, dar căile s-au schimbat. Pentru maleabilitate și ductabilitate, starea structurii cristaline este probabil mediată pentru a păstra aceeași formațiune cristalină originală, dar nivelurile se strâng (adică nivelurile inferioare / superioare / adjacente). Electronii curg doar în jurul structurii stoarse, ca și cum nimic nu ar fi diferit în timpul și după proces. Dar presiunea creează căldură și această căldură forțează atomul să rămână în stări de energie mai ridicate (în medie). Stările superioare sunt stări anti-lipite, deci nu există lipici care să țină atomul la vecinii săi până când forța este îndepărtată. Când un metal este încălzit, numărul de electroni anti-lipit crește și este mai ușor de manipulat oțelul într-un strat dorit. forma, deoarece electronii doresc să se deplaseze în regiuni mai reci. Deci, cantitatea de lipici din structura încălzită scade proporțional cu cantitatea de căldură. Maleabilitatea și ductabilitatea sună la fel, deoarece implică aceleași cantități de încălzire sau răcire.

Comentarii

• Am citit întregul răspuns, văd că are două antipatii. În timp ce răspunsul chemomecanic de mai sus este mai bun, a devenit mai clar, mai scurt și mai bun organizat, cred că răspunsul dvs. nu este rău. Problema este că este un singur bloc urât de text, faceți întotdeauna spațiu la fiecare câteva propoziții pentru a-l face mai ușor de citit. Așa cum am spus (scris) înainte, în postarea dvs. erau cunoștințe bune, dacă ați fi reușit să furnizați acele informații într-un pachet ” mai frumos „, cred că ați obține voturi pozitive în loc de voturi negative.
• Puteți adăuga câteva formate de paragraf?