Varför är metaller formbara och duktila?

Låt oss göra en jämförelse med keramik, som – precis som metaller är i allmänhet duktila — är i allmänhet spröda.

Observera först att kristaller (och metaller och keramik i allmänhet är polykristallina) kan deformeras genom dislokationsrörelse. En dislokation är en linjefel som bär plasticitet genom en kristall. Den klassiska analogin är att flytta en matta genom att sparka en rynka längs dess längd. Du behöver inte deformera hela kristallen på en gång; du behöver bara svepa en (eller många) förskjutningar genom materialet och bryta ett relativt litet antal bindningar åt gången.

Här är en enkel illustration av en böjd förskjutning som bär skjuv genom en kristall; passagen av förskjutningen lämnar ett nytt permanent steg:

Så detta är ett mycket bekvämt sätt att uppnå permanent deformation. Det är dock mycket lättare att bryta dessa bindningar i metaller än i keramik eftersom metallbindningarna i den förra är svagare än de joniska / kovalenta bindningarna i senare (vilket framgår av det faktum att keramik i allmänhet är eldfast, dvs. de har höga smälttemperaturer). I synnerhet tillåter elektronernas avlokaliserade natur i metaller att förskjutning lätt glider . Detta motsvarar duktilitet / smidbarhet. (De två termerna är identiska för denna diskussion; de skiljer sig endast åt i typen av belastningsförhållanden som leder till lätt deformation.)

Dessutom i metaller med en ansiktscentrerad-kubisk kristallstruktur (tänk guld eller koppar, till exempel), ger den strukturella symmetrin många möjliga glidplan längs vilka förskjutningar lätt kan spridas. Detta motsvarar ännu större duktilitet / smidbarhet.

Här är en illustration av en ansiktscentrerad-kubisk struktur; den täta packningen av atomer på flera plan tillåter förskjutningar att hoppa bara korta avstånd, vilket underlättar deras passage :

Däremot Förskjutningsrörelse hindras så starkt i keramik (eftersom bindningarna är riktade och laddningarna är fast fixerade) att det kan ta mindre energi att helt enkelt bryta alla bindningarna på en gång, vilket motsvarar bulkbrott och sprödhet.

En konsekvens av dessa mikroskopiska skillnader mellan metaller och keramik är hur de reagerar på sprickor eller brister. En skarp spricka ger en spänningskoncentration, huvudsakligen för att spänningsfältet måste vridas kraftigt runt den. I en metall är denna spänningskoncentration inte ” mycket av ett problem — vissa förskjutningar kommer att röra sig, vilket resulterar i plastisk deformation och avstumpning av sprickan ti sid. Det här alternativet är mycket mindre troligt i keramik på grund av hindren för förskjutningsrörelse. Det kan bara vara lättare att bryta bindningarna permanent och bilda en ny öppen yta vid det tidigare högspänningsområdet. Detta är mekanismen för sprickutbredning, och om sprickan fortsätter att föröka sig, får du bulkfraktur.

Kommentarer

• Är metaller verkligen polykristallina? Vad är enskilda kristaller då?
• Nästan all metall som vi stöter på är polykristallin.

Metaller är formbara och duktila på grund av metallbindning. Metallbindning skiljer sig från jonisk och kovalent bindning. Metallbindning är dess egen typ av bindning. Metallbindningar beskrivs med den moderna teorin om bindningar genom att tillämpa schrodingerekvationen på varje atom och föra atomerna närmare och närmare för att bilda så många vågfunktioner som antalet atomer. Det finns bindningar och antikondvågformationer som beskriver möjliga vågfunktioner. Alla dessa bildar möjliga bandenergier. Bindningar inom en kristallstruktur håller bara strukturen samman om det genomsnittliga bundna energitillståndet är lägre än isolerade tillstånd. Metaller har en genomsnittlig bunden energistruktur mindre än isolerade atomer. Fermi-nivån måste vara känd för att räkna ut vad som händer bredvid valenselektronerna i en metall. Tabeller för denna energinivå av olika metaller av intresse kan ses upp. Fermi-energinivån är den bästa energin tillstånd för alla parade elektroner vid absolut noll. Vid absolut noll är alla elektroner inuti parade och fyller i följd de upptagna tillstånden från bottenergin till Fe rmi energi. När en metall värms upp kan elektronerna flytta till högre energilägen hela vägen till vakuumnivån, vilket är den högsta möjliga antikroppen inom strukturen. Efter vakuumnivån matas en elektron ut från metallen.Fermi-energin är viktig eftersom den på ett mirakulöst sätt är den genomsnittliga elektronenergin inom metallstrukturen över absolut noll. Det finns ett ledningsband i metaller möjliggjort eftersom alla orbitaler överlappar varandra och den yttre elektronen har en mycket låg joniseringsnivå. Ledningsbandet är mycket nära fermi-energinivån. Mycket liten värme eller potentialskillnad behövs för att stöta elektronerna upp till de högre ledningstillstånden för energi för att röra sig inom dess struktur. Skillnaden mellan fermi-energin och ledningsbandet är löst känd som Band Gap. I ledare existerar egentligen inte bandgapet på grund av att orbitalerna överlappar och delar en rörlig elektron. Orbitalöverlappande och rörlig elektron skapar kontinuerligt energispektrum. Elektronerna får kontinuerligt uppta högre energitillstånd. I grund och botten är det bundna tillståndet mellan två metall atomer är lägre än en enda atom och en enda atom måste jonisera sin elektron för att bilda bindningen. Om du är bekant med en metalls arbetsfunktion (Fermis energinivå + Fotonenergi för att mata ut elektron). ledningsbandet ligger mellan denna punkt och fermi-nivån men i storleksordningen något tillräckligt litet som gör det möjligt för elektronen att röra sig mycket lätt i strukturen och aldrig tillhör en viss atom. Ledningsbandet kan dock vara rätt på fermi-nivån. Kvantmekaniskt representeras elektronerna i en metallstruktur som rörliga vågor. De vet att de bildar ett slags elektronmoln i strukturen som limmar atomerna tillsammans med den coulombiska attraktionen mellan atomerna joniserade positiva jonladdningar. Du kan visualisera bollar snyggt staplade med perfekta lager och kubisk form med en typ av moln som håller ihop den. När elektroner rör sig skapar de ett hål och detta är en ny plats för en annan elektron. Elektronerna rör sig slumpmässigt eller med energi. I genomsnitt finns det alltid tillräckligt med elektronladdning för att hålla ihop saker eftersom det slumpmässigt finns ett visst medelvärde för att vilja fylla hålet eller den externa energi elektronerna har en riktning in i hålet från en källa längre bak. Smidbarheten och rörbarheten är ett resultat av metallbindningen. Eftersom elektronerna kan röra sig tillräckligt enkelt, kan metallatomerna manipuleras för att flyttas på önskat sätt och ingenting begränsar elektronmolnet från att flytta tillbaka runt de förskjutna atomerna. Smidbarhet och smidbarhet verkar vara möjliga på grund av detta fenomen. Materialets styrka har att göra med inriktningen av kristallformationerna. dvs. en metall vill börja i en hel kristallliknande bildning. Därför blir en mjukad metel mjuk under den långsamma kylningsprocessen. Atomerna försöker bildas till en perfekt kristall. Men när den värms upp och kyls tillräckligt snabbt kommer denna kristallstruktur att brytas upp i subkristallstrukturer (en struktur bildad av mer än en mindre kristallstruktur). Förmodligen på grund av termiska dynamiska principer. Kanske stigningarna i elektronmolnet från varmare till svalare regioner inträffar på inneboende sätt för att skapa tillräckligt med kraft längs vissa fläckar för att flytta saker runt proportionella mot subkristallernas kollektiva styrka? Oavsett denna process ger hela metallen en starkare och sprödare effekt. Därefter kan elektronerna driva runt det härdade stålet som tidigare men vägarna har förändrats. För smidbarhet och ledbarhet är kristallstrukturens tillstånd antagligen medelvärde för att behålla samma ursprungliga kristallbildning men nivåerna klämmer in (dvs. de lägre / övre / adjaceant-nivåerna). Elektronerna flyter bara in i den klämda strukturen som ingenting är annorlunda under och efter processen. Men tryck skapar värme och denna värme tvingar atomen att stanna i högre energitillstånd (i genomsnitt). De högre tillstånden är anti-bundna tillstånd så det finns inget lim som håller atomen vid dess grannar tills kraften avlägsnas. När en metall värms upp ökar antalet anti-bundna elektronenergier och är lättare att manipulera stålet till önskad form eftersom elektronerna vill driva in i svalare områden. Så mängden lim som håller den uppvärmda strukturen minskar proportionellt mot mängden värme. Smidbarhet och smidbarhet låter väldigt lika eftersom de involverar samma mängder värme eller kyla.

Kommentarer

• Jag läste hela svaret, jag ser att det har två ogillar. Medan kemomekanikens svar ovan är bättre, eftersom det är tydligare, kortare och bättre organiserad, jag tror att ditt svar inte är dåligt. Problemet är att det här enda fula textblocket alltid gör plats varje par meningar för att göra det mer läsbart. Som jag sa (skrivit) tidigare fanns det god kunskap i ditt inlägg, om du hade lyckats leverera den informationen i trevligare ” paket ”, jag tror att du skulle få uppröstningar istället för nedröstningar.
• Kan du lägga till lite styckeformatering?