STRUKTURA MATERIAŁÓW. Opracowanie: Dr hab.inż. Joanna Hucińska

Transkrypt

1 STRUKTURA MATERIAŁÓW Opracowanie: Dr hab.inż. Joanna Hucińska

2 ELEMENTY STRUKTURY MATERIAŁÓW 1. Wiązania miedzy atomami 2. Układ atomów w przestrzeni 3. Mikrostruktura 4. Makrostruktura

3 1. WIĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI Siły oddziaływania między atomami Energia potencjalna pary atomów

4 Ważniejsze rodzaje wiązań z punktu struktury ciała stałego: jonowe: para elektronów w całości przyłączana przez anion atomowe (kowalencyjne): para elektronów wspólna metaliczne: gaz elektronowy

5 Wiązanie jonowe

6 Wiązanie atomowe

7 Wiązanie metaliczne rdzenie atomowe elektrony

8 Przykłady energii wiązań między atomami Rodzaj wiązania Jonowe Atomowe Metaliczne Substancja Chlorek sodu Tlenek magnezu Krzem Diament Aluminium Żelazo Wolfram Energia kj/mol

9 2. UKŁAD ATOMÓW W PRZESTRZENI Ciała krystaliczne (kryształy) Układ atomów/cząstek (a/cz) w przestrzeni jest statystyczne uporządkowany, symetryczny. Położenie a/cz wyznacza się przy pomocy metod rentgenowskich. Położenie a/cz odwzorowuje model geometryczny sieć przestrzenna. Ciała bezpostaciowe (amorficzne) Układ atomów w przestrzeni jest nieuporządkowany, chaotyczny.

10 Układ atomów w kryształach przedstawia się często za pomocą modeli, w postaci sztywnych kul (a) lub kul osadzonych na sztywnym szkielecie (b). Modele przedstawiają strukturę kryształu doskonałego; nie uwzględniają drgań cieplnych atomów ani defektów struktury.

11 Elementy krystalografii Elementy sieci przestrzennej: Węzeł sieci Prosta sieciowa: prosta łącząca środki dwóch dowolnych atomów Płaszczyzna sieciowa: powstała przez przesunięcie prostej sieciowej o parametr sieciowy w innym kierunku Parametr sieci: najbliższa odległość dwóch atomów na prostej sieciowej w komórce prymitywnej Liczba koordynacyjna: liczba najbliższych i równo oddalonych atomów od jednego dowolnie wybranego Stopień wypełnienia przestrzeni: stosunek objętości przestrzeni zajętej przez sfery atomów do objętości zajmowanej przez komórkę

12 a,b,c odcinki jednostkowe Sieć przestrzenna utworzona przez translację: a) punktu, b) prostej, c) płaszczyzny

13 Trzy zbiory równoległych i równoodległych płaszczyzn dzielą sieć na identyczne równoległościenne komórki, przy czym wybiera się płaszczyzny oddalone o najkrótsze odcinki translacji. Otrzymane w ten sposób komórki nazywane są jednostkowymi lub elementarnymi.

14 Komórka elementarna najmniejszy element sieci, którego powielenie w przestrzeni pozwala na odtworzenie całej sieci

15 Układ krystalograficzny Jest to układ współrzędnych opisujących sieć przestrzenną o osiach x,y,z. Wzajemną orientację osi charakteryzują kąty międzyosiowe α, β, γ. Okresy identyczności prostych przyjętych za osie współrzędnych wyznaczają odcinki jednostkowe a, b, c. Kąty międzyosiowe i odcinki jednostkowe stanowią parametry sieci. Określają one kształt i wymiar komórki elementarnej. Istnieje 7 układów krystalograficznych W ramach 7 układów krystalograficznych wyodrębnić można 14 typów sieci przestrzennych (Bravaise`a) uwzględniając możliwości centrowania przestrzennego i ściennego komórek. Komórka prymitywna: atomy wyłącznie w węzłach sieci.

16 Przykłady układów krystalograficznych L.p. Układ Parametry sieci 1. przestrzennie centrowana trójskośny α β γ a b c Sieć przestrzenna prymitywna Szkic komórki prymitywnej α = β = γ = 90 a = b c prymitywna 2. tetragonalny

17 α = β = 90 γ = 120 a = b c prymitywna 4. regularny α = β = γ = 90 a = b = c prymitywna 3. heksagonalny przestrzennie centrowana ściennie centrowana

18 W rozważaniach dotyczących sieci przestrzennych, często zachodzi potrzeba powoływania się na określone płaszczyzny lub kierunki. Ich usytuowanie w krysztale podaje się względem osi współrzędnych za pomocą trzech liczb całkowitych, tzw. wskaźników Millera. W przyjętej metodzie dokładne położenie płaszczyzn i kierunków jest nieistotne, ze względu na dowolność wyboru węzła początku układu. Wobec tego równoległe płaszczyzny i kierunki mają identyczne wskaźniki.

19 X Y Z /2 1/3 1/6 3/6 2/6 1/6 (321) Wyprowadzenie symbolu płaszczyzny sieciowej Wszystkie równoległe płaszczyzny oznaczone są tymi samymi wskaźnikami, ogólnie (hkl). Jeżeli płaszczyzna przecina oś układu po stronie wartości ujemnych, oznacza się to znakiem minus nad wskaźnikiem.

20 Przykłady wskaźników płaszczyzn w sieci układu regularnego

21 Kierunek prostej w sieci przestrzennej wyznacza się przemieszczając równolegle prostą do początku układu o współrzędnych 000. Współrzędne najbliższego węzła, przez który prosta przechodzi, sprowadzone do liczb całkowitych i pierwszych względem siebie, zamknięte w nawiasie kwadratowym [uvw] stanowią wskaźniki kierunku. Przykłady wskaźników kierunków w sieci układu regularnego

22 W sieci przestrzennej można wyróżnić równoważne płaszczyzny i kierunki, o tej samej konfiguracji węzłów. Na przykład, w układzie regularnym płaszczyzny wszystkich ścian komórki elementarnej są równoważne. Zespół takich płaszczyzn opisuje wskaźnik jednej dowolnej płaszczyzny, zamknięty w nawiasie klamrowym, np. {100}. Kierunki równoważne oznacza się natomiast zapisując wskaźniki jednego z kierunków w nawiasie ostrym <111>.

23 Wskaźniki płaszczyzn i kierunków w sieci heksagonalnej, zwane wskaźnikami Millera-Bravais, wyznacza się stosując czteroosiowy układ współrzędnych. Osie x, y, u leżą w płaszczyźnie podstawy, a ich dodatnie kierunki tworzą kąty 120 ; oś z jest prostopadła do pozostałych. Wskaźnikami płaszczyzn są cztery liczby zawarte w nawiasie okrągłym (hkil), a wskaźnikami kierunków cztery liczby w nawiasie kwadratowym [uvtw]. Pierwsze trzy wskaźniki odnoszą się do osi leżących na płaszczyźnie podstawy, a czwarta do osi pozostałej. Przykłady wskaźników płaszczyzn i kierunków w sieci heksagonalnej

24 Niektóre substancje występują w odmianach różniących się budową krystaliczną. Zjawisko to nazywa się polimorfizmem (wielopostaciowością), a w odniesieniu do pierwiastków chemicznych alotropią. Odmiany alotropowe oznacza się greckimi literami α, β, γ itp., umieszczonymi przy symbolu chemicznym pierwiastka, np. Fe α Dwie odmiany alotropowe posiadają min.: żelazo, nikiel, kobalt, tytan, uran. Chrom, wapń i lit występują w trzech odmianach alotropowych, a mangan w czterech. Zasadniczym czynnikiem wywołującym przemiany alotropowe jest temperatura.

25 Struktura metali Sieć przestrzenna: A1 (RSC) regularna ściennie centrowana A2 (RPC) regularna przestrzennie centrowana A3 (HZ) heksagonalna zwarta Wiązanie: metaliczne

26 Sieć A1: a) schemat powstawania, b) komórka sieci z zaznaczonymi płaszczyznami {111} i kierunkami <110> zwarcie wypełnionymi atomami, c) atomy komórki w postaci sztywnych kul Sieć A1 charakteryzuje się zwartym ułożeniem atomów w przestrzeni, z płaszczyznami {100} i kierunkami <110> zwarcie wypełnionymi atomami. W sieci A1 krystalizują metale o najwyraźniejszych cechach metalicznych: srebro, złoto, platyna, aluminium, miedź, nikiel, ołów, żelazo γ, kobalt β.

27 Sieć A2: a) schemat powstawania, b) komórka sieci z zaznaczonymi kierunkami zwarcie wypełnionymi atomami <111> na płaszczyźnie (110), c) atomy komórki w postaci sztywnych kul W sieci A2 nie ma płaszczyzn zwarcie wypełnionych, są natomiast kierunki o zwartym ułożeniu atomów <111>, znajdujące się na najgęściej wypełnionych płaszczyznach {110}. Strukturę A2 posiadają np. wanad, molibden, wolfram, niob, żelazo α, chrom α, tytan β.

28 Sieć A3: a) schemat powstawania, b) komórka sieci z zaznaczonymi płaszczyznami {0001} i kierunkami <1120> zwarcie wypełnionymi atomami, c) atomy komórki w postaci sztywnych kul W idealnej sieci A3 stosunek osiowy c/a równy jest 1,633. Podobnie jak sieć A1, sieć A3 charakteryzuje się zwartym ułożeniem atomów w przestrzeni. W sieci A3 krystalizują m.in. beryl, magnez, cynk i kadm.

29 Kolejność ułożenia płaszczyzn w sieciach zwarcie wypełnionych: ABCABC...lub ACBACB... w sieci A1 i ABABAB... w sieci A3

30 Struktura ceramik Kryształy, ciała niekrystaliczne lub szkła, o ułożeniu atomów typowym dla cieczy Sieć przestrzenna kryształów bardziej złożona niż metali Wiązania od czysto jonowych do czysto kowalencyjnych

31 Komórka elementarna sieci Al 2 O 3 Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

32 Komórka elementarna SiO 4 4- Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

33 Schemat rozmieszczenia jonów w szkle sodowo-krzemianowym Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

34 Struktura polimerów Zwykle ciała bezpostaciowe Struktura makrocząsteczek lub długich łańcuchów zbudowanych z wielkiej ilości małych elementów (monomerów) Głównie wiązania kowalencyjne

35 Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

36 Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

37 3. MIKROSTRUKTURA Mikrostruktura materiału elementy struktury widoczne przy użyciu mikroskopów dających powiększenie większe niż 40x. Wydzielenia grafitu w żeliwie: zarejestrowane na wypolerowanym preparacie (zgładzie), przy użyciu świetlnego mikroskopu metalograficznego 10 µm

38 30 µm Dwa rodzaje ziaren w stali: zarejestrowane na wypolerowanym i wytrawionym preparacie (zgładzie), przy użyciu świetlnego mikroskopu metalograficznego

39 4. MAKROSTRUKTURA Makrostruktura materiału - elementy struktury widoczne nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu przyrządów optycznych dających obraz powiększony nie więcej niż 40x.

40 Produkty korozji na wewnętrznej powierzchni rurociągu ze stali węglowej