Vnitřní stavba pevných látek přednáška č.1

Transkript

1 1

2 2

3 3

4 Nauka o materiálu I Vnitřní stavba pevných látek přednáška č.1 Ing. Daniela Odehnalová 4

5 Pevné látky - rozdělení NMI Z hlediska vnitřní stavby PL dělíme na: Krystalické všechny kovy za normální teploty s výjimkou Hg (výjimka kovová skla) Amorfní zpravidla všechny kapaliny a plyny (výjimka tekuté krystaly), z pevných látek např. některé plasty, sklo apod. Semikrystalické některé plasty 5

6 Amorfní látky - charakteristika NMI V tuhém stavu mohou být považovány za velmi viskózní kapaliny v přechlazeném stavu Typické vlastnosti izotropie fyzikálních vlastností, uspořádanost jen na krátkou vzdálenost např. v molekule atomy uspořádané, ale molekuly mezi sebou už nikoli. Amorfní jsou i kapaliny.

7 Krystalické látky - charakteristika NMI Pravidelná vnitřní stavba, určité uspořádání částic se periodicky opakuje i na dlouhou vzdálenost krystal - pokud se projeví pravidelnost vnitřní stavby i v geometrické pravidelnosti ploch krystalu. Většina krystalů je nedokonalých = krystality = zrna 7 7

8 Tekuté krystaly NMI Německý fyzik Otto Lehmann v roce 1889 zkoumal cholesterol a zjistil, že nabývá mezi pevnou a kapalnou fází ještě fázi, kterou označil jako kapalná krystalizace. Jedná se o jakousi mezifázi, kdy má látka vlastnosti jak pevného, tak i kapalného skupenství. Tekuté krystaly jsou tekuté jako kapaliny, mají však optické vlastnosti pevného skupenství. Molekuly těchto látek jsou většinou dlouhé a úzké a připomínají svým tvarem zrnka rýže. 8

9 Tekuté krystaly Důležitou vlastností tekutých krystalů jsou optické jevy, které vznikají orientovaným uspořádáním jejich molekul. Dochází zejména ke změně polarizace světla, které jimi prochází, v závislosti na poloze molekul materiálu. Další významná vlastnost je chování tekutých krystalů v elektrickém poli, kdy se stávají dipólem, který má snahu se otočit v jeho směru. Obou těchto efektů se využívá např. v displeji z tekutých krystalů (Liquid crystal display, LCD) 9

10 Kovová skla Amorfní kovy (kovová skla) jsou umělé kovové materiály s neuspořádanou atomovou strukturou. Vyznačují se některými zajímavými vlastnostmi, jako vysokou mezí pevnosti, korozivzdorností, velkým elektrickým odporem a pod.. Feromagnetická kovová skla mají rovněž výjimečné magneticky měkké chování. 10

11 Mřížky krystalických PL Prostorová mřížka (Bravaisova 14 typů) je to soustava uzlových bodů, určitým způsobem rozdělený prostor Uzlový bod má identické okolí Elementární buňka soustava nejmenšího počtu uzlových bodů, jejichž opakováním vzniká prostorová mřížka. Elementární buňky na sebe těsně přiléhají a dokonale vyplňují prostor. 11

12 Příklad prostorové mřížky s vyznačenou elementární buňkou

13 Krystalová struktura Krystalová struktura vzniká obsazením uzlových bodů prostorové mřížky motivem (bází). Motiv (báze) částice nebo i skupina částic Krystalové mřížky se podle bodové symetrie prostorové mřížky dělí do 7 krystalografických soustav (triklinická, monoklinická, ortorombická, romboedrická, hexagonální, tetragonální, kubická) 13

14 14

15 Charakteristika mřížky Mřížky lze popsat pomocí mřížkových parametrů a meziosních úhlů Mřížkový parametr je nejmenší vzdálenost dvou uzlových bodů mřížky ve směru souřadných os, resp.za mřížkové parametry lze považovat hrany elementární buňky. V různých směrech mohou být velikosti mřížkových parametrů různé. 15

16 Charakteristika mřížky Identifikační vzájemný poměr mřížkových parametrů a meziosních úhlů (žádné dvě soustavy je nemají stejné) Doplňkové koeficient plnění, počet částic na buňku, koordinační číslo Koeficient plnění vyjadřuje procentuální obsazení prostoru buňky částicemi (předpoklad, že částice mají kulový tvar a těsně se dotýkají) 16

17 Charakteristika mřížky Koordinační číslo vyjadřuje pravidelnost uspořádání částic v mřížce a představuje počet nejbližších sousedů každé částice se stejnou vzdáleností Každou mřížku charakterizují mřížkové parametry a,b,c, úhly mezi hlavními osami α,β,γ, uspořádání, koeficient plnění a koordinační číslo 17

18 18

19 diamant grafit Grafen nejnovější modifikace uhlíku plochá molekula Aerografit nejlehčí materiál 0,2 kg/m 3 fullereny : 19

20 Charakteristika mřížky u technicky významných čistých kovů se vyskytují nejčastěji dvě soustavy kubická (krychlová) a hexagonální (šesterečná) konkrétní prostorové mřížky vyskytující se u čistých kovů pak jsou: - kubická prostorově středěná mřížka - kubická plošně středěná mřížka - hexagonální mřížka 20

21 Mřížka kubická jednoduchá vykytuje se výjimečně, pouze polonium 21

22 Mřížka kubická prostorově středěná Mřížka kubická plošně středěná ucebnice.krynicky.cz/.../2402_idealni_krystalova_mrizka.pdf 22

23 Kubická mřížka - charakteristiky Stereocentrická a = b = c, α = β = γ = 90 Koef.plnění p = 68 % Počet částic na buňku = 2 Koordinační číslo K8 Planicentrická a = b = c, α = β = γ = 90 Koef.plnění p = 74 % Počet částic na buňku = 4 Koordinační číslo K12 23

24 Kubická mřížka - příklady Planicentrická FCC Pb, Au, Ag, Cu, Pt, Ni, Al, Feγ Stereocentrická BCC W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Na, Feα i δ Typ mřížky souvisí s některými vlastnostmi např.kovy s planicentrickou mřížkou jsou za studena dobře tvárné, protože tu je hodně rovin hustě obsazených atomy, které při plastické deformaci slouží jako roviny kluzu 24

25 Hexagonální mřížka (nejtěsnější hexagonální uspořádání) Struktura hexagonálního diamantu 25

26 Charakteristiky krystalových soustav 26

27 Vazby mezi atomy Jednotlivé stavební částice na sebe působí silami. U plynů a kapalin se vzájemná poloha částic mění, u krystalických látek jsou síly natolik silné, že se atomy (ionty) udrží ve stálých vzájemných polohách (Brownův tepelný pohyb). Podle charakteru se vazby dělí na: iontovou kovalentní kovovou Van der Waalsovu 27

28 Vazba iontová - heteropolární Vyskytuje se u prvků s malou elektronegativitou, které uvolňují jeden nebo více slabě vázaných elektronů z valenční sféry a doplňují tyto elektrony do elektronového oktetu elektronegativnějších prvků. Vazba je poměrně silná, všesměrová, síly nejsou orientované a závisí na prostředí, v němž působí. Dochází k ní na základě elektrostaických sil mezi kladně a záporně nabitými ionty. Vzniká chemická sloučenina. 28

29 Vazba kovalentní - homopolární Podstatou je sdílení elektronů stejnými nebo různými atomy. Vzniká u prvků s velkým počtem valenčních elektronů (molekula Cl) Kovalentní skupiny mohou být společné i většímu počtu atomů a každý atom nemusí poskytovat stejný počet valenčních elektronů 29

30 Kovová vazba je typická pro kovy Kovy snadno uvolňují elektrony z valenční vrstvy a tvoří tak kladně nabité ionty kationty. Odevzdané elektrony se volně pohybují mezi kationty jako elektronový plyn (elektronový mrak, elektronová mlha). Kationty se seřadí do mřížky, kterou elektronový plyn drží pohromadě. Kovová vazba má vliv především na elektrickou a tepelnou vodivost kovů. 30

31 Vazba van der Waalsova Je nejméně pevná a souvisí s okamžitými elektrickými momenty elektronů v určitých polohách vůči jádru. Vyskytuje se i u kapalin a je typická pro molekuly plynů, které už nemají žádné volné elektrony. V krystalech se obvykle vyskytuje několik druhů vazeb současně. 31

32 Monokrystaly a látky polykrystalické kovy jsou většinou tvořeny velkým počtem krystalů jejich struktura se proto označuje jako polykrystalická jednotlivé krystaly jsou obvykle nepravidelného tvaru a říká se jim zrna každé zrno se vyznačuje jinou orientací krystalové mřížky a hranicí, která jej odděluje od zrna sousedního 32 32

33 Monokrystaly a látky polykrystalické Hranice zrn je pásmo šířky několika atomových průměrů, v němž poloha aspoň některých atomů neodpovídá uzlům ani jednoho ze sousedních zrn. Nazývá se také hranice s velkým úhlem. Mají vliv na chemické, fyzikální i mechanické vlastnosti kovů a slitin 33 33

34 Monokrystaly Je to objem kovu, v němž je jednotná orientace krystalové mřížky. Vyrábí se buď jako vláknový nebo masivní. Vláknový průměr několika μm a délka až několik cm.malý počet poruch, pevnost se blíží teoretické pevnosti. Masivní složen z bloků (subzrn) s nepatrně odlišnou orientací krystalové mřížky. Průměr několik cm až desítek cm

35 Polymorfie kovů některé kovy a slitiny mohou mít za různých teplot různou mřížku přeměna mřížek v závislosti na teplotě se nazývá překrystalizací, jev se označuje jako polymorfie a kovy s touto vlastností jako polymorfní jednotlivé krystalické stavy se nazývají modifikace a označují se písmeny řecké abecedy 35 35

36 Poruchy krystalové stavby Strukturní poruchy: Bodové, čárové, plošné, prostorové Bodové: vakance Intersticiál vlastní Intersticiál příměsi Substituční atom 36 36

37 Bodové poruchy Bodové poruchy umožňují difúzi Je to přemisťování částic Uplatňuje se např.: - při krystalizaci - plastické deformaci - fázových přeměnách 37 37

38 Bodové poruchy - vlastnosti Vakance se pohybují mřížkou, mohou vznikat a zanikat. Po dodání aktivační energie přeskočí vakance na místo některého ze sousedních atomů. Dodává se většinou tepelná energie, proto se proces nazývá tepelně aktivovaný. Uzlové body jsou místa s nejnižší volnou entalpií

39 Čárové poruchy - dislokace 39 39

40 Hranová dislokace 40 40

41 Šroubová dislokace 41 41

42 Dislokace - vlastnosti Přítomnost dislokace vyvolává pružnou deformaci mřížky. Pohyb dislokací : skluzem pokud narazí na překážku, může její pohyb pokračovat v jiné skluzové rovině. Rychlost pohybu závisí na skluzovém napětí a může dosáhnout až rychlosti šíření zvuku v daném kovu (až 10 3 m/s) 42 42

43 Dislokace - vlastnosti Pohyb šplháním u hranových dislokací je pomalejší než skluz Pohyb není obvykle stejně rychlý po celé délce zakřivení dislokace Pohybu brání např.další částice, dislokace se kupí na překážkách, protínají se mechanismy deformačního zpevnění Hustota dislokací celková délka dislokačních čar v jednotce objemu- ve vyžíhaném kovu až m -2. Tvářením za studena se zvětší o 4 až 5 řádů

44 Dislokační struktura získaná transmisní elektronovou mikroskopií 44 44

45 Plošné poruchy Hranice zrn - je to pásmo šířky několika atomových průměrů, v němž poloha aspoň některých atomů neodpovídá uzlům ani jednoho ze sousedních zrn. Nazývá se také hranice s velkým úhlem. Mají vliv na chemické, fyzikální i mechanické vlastnosti kovů a slitin 45 45

46 Hranice podzrn - objevuje se u masivních monokrystalů, které jsou složeny z bloků (subzrn) s nepatrně odlišnou orientací krystalové mřížky. Někdy se označuje jako maloúhlová hranice Vrstevné chyby poruchy v pravidelném vrstvení jednotlivých krystalových vrstev 46 46