STRUKTURA MATERIAŁÓW

Opracowanie:

Dr hab.inż. Joanna Hucińska

ELEMENTY STRUKTURY MATERIAŁÓW

1. Wiązania miedzy atomami

2. Układ atomów w przestrzeni

3. Mikrostruktura

4. Makrostruktura

1. WIĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI

Siły oddziaływania między atomami

Energia potencjalna pary atomów

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

Wiązanie jonowe

Wiązanie atomowe

Wiązanie metaliczne

rdzenie atomowe elektrony

Przykłady energii wiązań między atomami

Rodzaj wiązania

Substancja Energia kJ/mol

Chlorek soduTlenek magnezu

6401000

Atomowe KrzemDiament

450713

Metaliczne AluminiumŻelazoWolfram

324406849

Jonowe

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 – siećprzestrzenna.

Ciała bezpostaciowe(amorficzne)

Układ atomów w przestrzeni jest nieuporządkowany, chaotyczny.

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.

Elementy krystalografiiElementy sieci przestrzennej:

• Węzeł sieci• Prosta sieciowa: prosta łącząca środki dwóch

dowolnych atomów• Płaszczyzna sieciowa: powstała przez przesunięcie

prostej sieciowej o parametr sieciowy w innym kierunkuParametr sieci: najbliższa odległość dwóch atomów na prostej sieciowej w komórce prymitywnejLiczba koordynacyjna: liczba najbliższych i równo oddalonych atomów od jednego dowolnie wybranegoStopień wypełnienia przestrzeni: stosunek objętości przestrzeni zajętej przez sfery atomów do objętości zajmowanej przez komórkę

a,b,c – odcinki jednostkowe

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

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.

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

Układ krystalograficzny•Jest to układ współrzędnych opisujących siećprzestrzenną 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 stanowiąparametry 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.

Przykłady układów krystalograficznychL.p. Układ Parametry

sieciSieć

przestrzennaprymitywna

prymitywna2. tetrago-nalny

α = β = γ = 90°

a = b ≠ c przestrzen-nie centro-wana

α ≠ β ≠ γa ≠ b ≠ c

trójsko-śny

1.

Szkic komórki prymitywnej

3. heksago-nalny

α = β = 90°γ = 120°a = b ≠ c

prymitywna

prymitywna

przestrzen-nie centro-wanaściennie centrowana

4. regularny α = β = γ = 90°

a = b = c

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 pomocątrzech liczb całkowitych, tzw. wskaźników Millera. W przyjętej metodzie dokładne położenie płaszczyzn i kierunków jest nieistotne, ze względu na dowolnośćwyboru węzła początku układu. Wobec tego równoległe płaszczyzny i kierunki mają identyczne wskaźniki.

X Y Z

2 3 6

1/2 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.

Przykłady wskaźników płaszczyzn w sieci układu regularnego

Kierunek prostej w sieci przestrzennej wyznacza sięprzemieszczając 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

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 sięnatomiast zapisując wskaźniki jednego z kierunków w nawiasie ostrym <111>.

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 odnosząsię do osi leżących na płaszczyźnie podstawy, a czwarta – do osi pozostałej.

Przykłady wskaźników płaszczyzn i kierunków w sieci heksagonalnej

Niektóre substancje występują w odmianach różniących się budową krystaliczną. Zjawisko to nazywa siępolimorfizmem (wielopostaciowością), a w odniesieniu do pierwiastków chemicznych – alotropią. Odmiany alotropowe oznacza się greckimi literami α, β, γ itp., umieszczonymi przy symbolu chemicznym pierwiastka, np. Feα 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.

Struktura metaliSieć przestrzenna:

• A1 (RSC) regularna ściennie centrowana

• A2 (RPC) regularna przestrzennie centrowana

• A3 (HZ) heksagonalna zwarta

Wiązanie:

• metaliczne

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.

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.

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.

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

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

Komórka elementarna sieci Al2O3

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

Komórka elementarna SiO4 4-

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

Schemat rozmieszczenia jonów w szkle sodowo-krzemianowym

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

Struktura polimerów

•Zwykle ciała bezpostaciowe

•Struktura makrocząsteczek lub długich łańcuchów zbudowanych z wielkiej ilości małych elementów (monomerów)

•Głównie wiązania kowalencyjne

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

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

3. MIKROSTRUKTURA

Mikrostruktura materiału – elementy strukturywidoczne przy użyciu mikroskopów dających powiększenie większe niż 40x.

Wydzielenia grafitu w żeliwie: zarejestrowane na wypolerowanym preparacie (zgładzie), przy użyciu świetlnego mikroskopu metalograficznego

10 µm

30 µm

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

4. MAKROSTRUKTURA

Makrostruktura materiału - elementy struktury widoczne nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu przyrządów optycznych dających obraz powiększony nie więcej niż40x.

Produkty korozji na wewnętrznej powierzchni rurociągu ze stali węglowej