30
KRISTALNE REŠETKE Materijali se najčešće nalaze u tri strukturalna oblika •Pojedinačni kristali, •Polikristali i •Nekristalni materijali.

Kristalne resetke

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Kristalne resetke

Citation preview

Page 1: Kristalne resetke

KRISTALNE REŠETKE

Materijali se najčešće nalaze u tri strukturalna oblika

•Pojedinačni kristali,

•Polikristali i

•Nekristalni materijali.

Page 2: Kristalne resetke

U izučavanju materijala je nađeno da postoje dvevrste materijala: amorfni i kristalni.

• Amorfni se odlikuju strukturom rasporeda atoma u kojoj ne postoji nikakva zakonomernost. Atomi su u ovoj strukturi raspoređeni bez ikakvog reda.

• Njihova osnovna karakteristika je izotropnost što znači da su im svojstva ista u svim pravcima, a tačka topljenja nema određenu vrednost.

• Karakterišu se širokim intervalom razmekšavanja. • Sa druge strane, kristalni materijali se odlikuju pravilnom

strukturom i rasporedom atoma u prostoru po određenom poretku.

• Oni su tako raspoređeni da formiraju uređene skupove atoma koji formiraju prostornu kristalnu rešetku.

• Njih karakterišu različite osobine u različitim pravcima (ova osobina se naziva anizotropnost) i za razliku od amorfnih materijala imaju oštro izraženu temperaturu topljenja.

Page 3: Kristalne resetke

Zašto izučavati strukturu kristalnih čvrstih tela? Svojstva nekih materijala su direktno

povezana sa njihovom kristalnom strukturom.

• Tako, čist i nedeformisan magnezijum i berilijum imaju kristalnu strukturu ali su veoma krti (lome se pri najmanjem stepenu deformacije).

• Sa druge strane neki drugi metali u čistom stanju su plastični i obradivi, ali imaju drugačiju kristalnu strukturu.

• Sem navedenih razlika kristalnih i amorfnih materijala u čijoj građi učestvuju isti elementi postoje i druge razlike.

• Na primer, nekristalni keramički materijali i polimeri najčešće su optički providni; isti materijali u kristalima (ili polukristalnoj formi) najčešće su neprovidni, ili u najboljem slučaju, poluprovidni.

Page 4: Kristalne resetke

Kristalne strukture - osnovni koncepti

• Kristalni materijali su oni kod kojih su atomi raspoređeni u ponavljajućem periodičnom nizu duž velikih atomskih rastojanja.

• Drugim rečima postoji dalekosežan raspored tako da nakon očvršćavanja atomi zauzimaju pozicije po ponavljajućem tridimenzionalnom obrascu, u kome je svaki atom povezan sa svojim najbližim susednim atomima.

• Svi metali, mnogi keramički materijali i određeni polimeri prave kristalne strukture pod normalnim uslovima očvršćavanja.

• Za one koji ne kristališu, ovaj dalekosežni atomski raspored ne postoji.

• To su nekristalni ili amorfni materijali.

Page 5: Kristalne resetke

Generalno, razlikujemo dva tipa strukture čvrstih materijala: kristalnu i amorfnu

Page 6: Kristalne resetke

Neka od svojstava čvrstih kristalnih materijala zavise od kristalne strukture materijala

odnosno kristalne rešetke

• Kristalna rešetka definiše način na koji se atomi, joni ili molekuli prostorno raspoređuju.

• Postoji izuzetno veliki broj različitih kristalnih rešetki.

• Prostorna kristalna rešetka varira od relativno jednostavnih struktura kod metala do izuzetno kompleksnih kao što je to slučaj kod nekih keramičkih i polimernih materijala.

• Ovde će se razmatrati nekoliko uobičajenih metalnih kristalnih struktura (rešetki).

Page 7: Kristalne resetke

Prilikom opisivanja kristalnih struktura, atomi (ili joni) se zamišljaju kao čvrste lopte koje imaju unapred definisane prečnike. Ovakav prikaz strukture se naziva modelom atomskih čvrstih sfera. Po ovom modelu sfere predstavljaju najbliže susedne atomekoji se međusobno dodiruju.

• Šematski prikaz površinski centrirane kristalne rešetke (a) prikaz atomskih čvrstih sfera, (b) redukovani prikaz rešetke, (c) u celini

Page 8: Kristalne resetke

Jedinične ćelije

• Raspored atoma kod kristalnih čvrstih tela ukazuje da male grupe atoma formiraju obrazac koji se ponavlja.

• Zato se prilikom opisivanja kristalnih struktura one uobičajeno svode na male entitete koji se ponavljaju a koji se nazivaju jediničnim ćelijama.

• Jedinične ćelije za većinu kristalnih strukutra su paralopipedi ili prizme koje imaju tri seta paralelnih strana.

• Ćelija se sastoji od skupa sfera (slika c), koje u ovom slučaju predstavljaju kocku.

• Jedinična ćelija predstavlja osnovnu strukturalnu jedinicu kojom se definiše kristalna struktura materijala po obliku geometrije i po poziciji atoma u okviru nje.

Page 9: Kristalne resetke

Metalne kristalne strukture (rešetke)

• Većina glavnih metala (oko 90%) kristališe pri očvršćavanju u tri gusto složene kristalne strukture:

• - prostorno (zapreminski)-centriranu kubnu, ZCK• - površinski-centriranu kubnu, PCK i• - gusto-složenu heksagonalnu, GSH

• Većina metala kristališe u ovim gusto-složenim strukturama zbog toga što se oslobađa energija kad se atomi više međusobno približe i vežu čvršće jedan s drugim.

• Prema tome, gusto složene strukture su rasporedi sa manjom energijom, a time i stabilniji.

Page 10: Kristalne resetke

Metalne kristalne strukture (rešetke)

• Površinski centrirana kubna rešetka• Kod metala je najčešća kristalna struktura sa jediničnom ćelijom

sledeće geometrije: u kubnom rasporedu atomi su locirani na svakom temenu i preseku dijagonala svih stranica kocke

Sadrži 6x 1/2 atoma i 8x 1/8 atoma, odnosno ukupno 4 atoma

Page 11: Kristalne resetke

Površinski-centrirana kubna kristalna rešetka, PCK

• KIR za kubnu površinski-centriranu rešetku = 0,74

KOEFICIJENT ISPUNJENJA REŠETKE: PCK

• Koordinacioni broj (broj najbližih suseda) = 12

etkere zapremina

etkiru atoma zapremina = (KIR)

š

Page 12: Kristalne resetke

Zapreminski centrirana kubna rešetka, ZCK

Druga uobičajena metalna kristalna struktura je takozvana zapreminski centrirana kubna rešetka Jedinična ćelija ima atome locirane na svih osam temena i jedan atom u centru kocke tj. preseku dijagonala kocke.

Zapreminski (prostorno) centrirana kubna rešetka

Page 13: Kristalne resetke

Zapreminski centrirana kubna rešetka, ZCK

KOEFICIJENT ISPUNJENJA REŠETKE: KZC

KIR za kubnu prostorno-centriranu rešetku = 0,68

Koordinacioni br. = 8

Page 14: Kristalne resetke

Heksagonalna gusto pakovana rešetka (HGP)

• Ili gusto složena heksagonalna rešetka (GSH)

KIR(faktor pakovanja atoma) za HGP kristalnu strukturu je isti kao i kod PCK, KIR = 0,74. Grupi HGP metala spadaju kadmijum, magnezijum, titanijum i cink.

• Koordinacioni br. = 12

Page 15: Kristalne resetke

KRISTALNA STRUKTURA METALA

POLIMORFIJA• Jedan broj metala i nemetalnih elemenata odlikuje se polimorfnim

preobražajem, odnosno pojavom da se neki element javlja u više strukturnih stanja zavisno od stepena zagrejanosti.

• Proces polimorfnog preobražaja je povratan, tako da kod nekog elementa strukturni preobražaj mora nastati na određenoj temperaturi, kako pri zagrevanju tako i pri hlađenju.

• Primeri nekih najznačajnijih metala sa polimorfnim preobražajem su: Željezo, α, β, γ i δ faza; Nikl, α i β faza; Titan, α i β faza; Kobalt, α i β faza; Hrom, α, β i γ faza.

ANIZOTROPIJA• Pojava da se razlikuju brojna svojstva metala, zavisno od pravca

ispitivanja naziva se anizotropija.• Anizotropija se javlja kod većeg broja fizičkih, mehaničkih, optičkih,

toplotnih, magnetnih i hemijskih osobina kao posledica strukturnog stanja i načina slaganja atoma u kristalografskim rešetkama.

• Najznačajnije su razlike mehaničkih osobina zavisno od pravca ispitivanja kao što su: modul elastičnosti, svojstva čvrstoće, sposobnost deformacije, udarne žilavosti i dr.

• Kod konstrukcionih materijala pojava anizotropije se dešava kao posledica načina proizvodnje: pravca valjanja, presovanja, kovanja.

Page 16: Kristalne resetke

KRISTALIZACIJA, GREŠKE KRISTALNE

REŠETKE I DIFUZIJA • Kristalizacija metala

• Prelaz metala ili legure iz tečne faze u čvrsto telo (kristalne strukture) naziva se

kristalizacija. • Proces kristalizacije može da

se odvija samo pri temperaturama koje su niže od temperature topljenja. Razlika između temperature topljenja Tt i temperature Tk na kojoj se odvija proces kristalizacije naziva se stepenom pothladjivanja T

Page 17: Kristalne resetke

KRISTALIZACIJAProces kristalizacije se odvija u dve

faze:• formiranje stabilnih jezgara

kristalizacije (nukleusi) u tečnom metalu,

• rast kristala i formiranje metalnog zrna.

Ovako očvrsli metal sastoji se iz velikog broja kristala međusobno različito orijentisanih i nazivamo ga polikristalnim. Kristale u očvrslom polikristalnom metalu nazivamo metalnim zrnima, a dodirne površine između kristala granicama metalnog zrna.

• Brzina obrazovanja jezgara kristalizacije i brzina rasta kristala rastu sa porastom stepena pothlađivanja i pri određenim uslovima dostižu maksimum, a sa daljim povećanjem stepena pothlađivanja opadaju.

• Veličina formiranog metalnog zrna bitno utiče na mehanička svojstva metala i legura. Na sobnoj temperaturi krupnozrna struktura metala smanjuje: zateznu čvrstoću, tvrdoću, žilavost i svojstva plastičnosti.

Page 18: Kristalne resetke

Elastične deformacije• Deformacija čiji uticaj na strukturu, oblik i svojstva nestaje

po prestanku dejstva spoljnih sila naziva se elastična deformacija. Elastične deformacije ne izazivaju neke znatnije promene u strukturi i svojstvima metala.

• Moduli elastičnosti. U oblasti elastičnih deformacija, za veliki broj metala kada su opterećeni zatežućom silom, relativno male vrednosti, normalni napon () proporcionalan je deformaciji () i odredjen Hukovim (Hook) zakonom:

• = E

• Koeficijent proporcionalnosti (E) naziva se modul elastičnosti (Young-ov modul).

Elastična deformacija. (a) izduženje, (b) bez deformacije, (c) pritisak

Page 19: Kristalne resetke

• Modul elastičnosti (E) u direktnoj je vezi sa međuatomskim silama veze. Metali sa većim vrednostima sila privlačenja među atomima, imaju veće vrednosti modula elastičnosti, tako npr. keramički materijali imaju veće vrednosti modula elastičnosti u odnosu na metale, dok plastični materijali imaju značajno niže vrednosti.

• Modul elastičnosti je i mera krutosti materijala. Krut materijal, sa visokom vrednošću modula elastičnosti, održava svoje dimenzije i oblik i pod elastičnim opterećenjem.

• Ako je kristalna rešetka izložena dejstvu smičućih napona dolazi do relativnog pomeranja jedne ravni u odnosu na drugu ravan atoma za neki ugao

• tg = x/y, je ugao smicanja • modul klizanja G=/. • odnos G i E u oblasti malih

deformacija: E=2G (1+)

Page 20: Kristalne resetke

Plastične deformacije kristala• Ako sila kojom smo opteretili kristalnu strukturu

dovoljno poraste, kristal će se plastično - trajno deformisati, a to znači da se neće vratiti na početni oblik i dimenzije po prestanku dejstva sile. Plastično deformisana kristalna struktura metala je nepovratno promenjena, a samim tim i njegova svojstva.

• Postoje dva mehanizma po kojima se odvija plastična deformacija kristalne strukture:

• klizanjem i • dvojnikovanjem.

Page 21: Kristalne resetke

• Plastična deformacija kristala klizanjem. • Jedna ravan atoma klizi po drugoj susednoj ravni.

• Eksperimenti su pokazali da se mehanizam po kojem se obavlja klizanje, ostvaruje kao rezultat kretanja ivičnih dislokacija u kristalu pod dejstvom sila smicanja duž ravni klizanja.

Page 22: Kristalne resetke

• Sistemi klizanja.• Klizanje u kristalnoj rešetki, odnosno kretanje dislokacija

odvija se po odredjenim ravnima klizanja i pravcima klizanja.

• Ravni klizanja su obično ravni sa najvećom gustinom pakovanja atoma, jer je potreban najmanji napon simicanja za pomeranje atoma. One imaju i najveće rastojanje od susedne ravni, a tada su međuatomske sile veze najmanje.

• Pravci klizanja su pravci sa najvećom gustinom pakovanja, jer tada su atomi bliski jedan drugom, pa je potrebna najmanja energija za njihovo kretanje.

• Ravni klizanja i pravci klizanja koji leže u tim ravnima obrazuju sisteme klizanja..

• Što je kod kristala metala veći broj sistema klizanja, to je i njihova sposobnost plastične deformacije veća.

Page 23: Kristalne resetke

• Metali sa KPC rešetkom imaju 12 sistema klizanja i potrebni su mali naponi smicanja da bi se ostvarilo klizanje.

• Metali sa KZC rešetkom imaju 48 mogućih sistema klizanja i veliku verovatnoću da će primenjeni naponi smicanja prouzrokovati klizanje bar po jednom sistemu klizanja. Ali potreban je veći napon smicanja, pa i pored velikog broja sistema klizanja imaju ograničenu sposobnost obrade plastičnom deformacijom, ali zato poseduju dobru čvrstoću.

• Metali sa HGP rešetkom imaju 12 mogućih sistema klizanja i malu verovatnoću da će doći do klizanja.. Metali sa ovim tipom rešetke teže se obrađuju plastičnom deformacijom na sobnoj temperaturi i uglavnom su krti.

• Kritični napon smicanja - minimalno potreban napon smicanja, za pomeranje atoma unutar sistema klizanja, naziva se kritičnim naponom smicanja cr

Page 24: Kristalne resetke

• Kristalografska ravan simetrije između deformisanog i nedeformisanog dela kristala naziva se ravan dvojnikovanja.

• Pri dvojnikovanju je mala smicajna deformacija, pa je zato klizanje mnogo važniji mehanizam od dvojnikovanja

Dvojnikovanje je proces u kome se jedan deo kristala deformiše tako da formira sebi simetričan deo u odnosu na

nedeformisan deo kristala (kao slika u ogledalu).

Page 25: Kristalne resetke

Plastična deformacija polikristalnih materijala

• Pre plastične deformacije metalna zrna su imala poligonalni oblik, približno iste dimenzije u svim pravcima.

• Posle pojedinačne deformacije svakog metalnog zrna, ona menjaju oblik i postaju izdužena u pravcu dejstva sile, obrazujući orijentisanu ili vlaknastu strukturu.

Izmena oblika metalnog zrna, kao rezultat klizanja

Page 26: Kristalne resetke

Ojačavanje materijala

• U procesu obrade plastičnom deformacijom u hladnom stanju pri većem stepenu deformacije, kod polikristalnih materijala dolazi do ojačavanja.

• Svojstva otpornosti materijala: zatezna čvrstoća Rm, napon tečenja Re i tvrdoća HB rastu, dok svojstva plastičnosti: izduženje A i suženje preseka Z opadaju.

• Mehanizam ojačavanja objašnjava se povećavanjem broja grešaka kristalne rešetke (vakansija, intersticijskih atoma, dislokacija).

• Povećavanje gustine dislokacija otežava njihovo kretanje, a posebno kretanje novostvorenih dislokacija u procesu obrade plastičnom deformacijom.

Page 27: Kristalne resetke

Na kretanje dislokacija utiču:a) granice metalnog zrna koje

predstavljaju neku vrstu barijere za kretanje dislokacija iz dva razloga:

(1) dva susedna zrna su različito orijentisana, a pri prelasku iz jednog u drugo zrno dislokacija mora da menja pravac kretanja, što postaje mnogo otežano

(2) nepravilnost rasporeda atoma na granicama metalnog zrna predstavlja diskontinuitet ravnima klizanja od jednog do drugog zrna

b) sa povećavanjem stepena deformacije, povećava se gustina dislokacija

Ove novostvorene dislokacije otežavaju dalju plastičnu deformaciju.

• Kako kretanje dislokacija postaje sve teže i teže, to će za ostvarivanje klizanja biti potrebni znatno veći naponi smicanja, koji dovode i do opšteg povećanja svojstava čvrstoće metala u procesu obrade hladnom deformacijom kao i smanjenja svojstava plastičnosti.

Page 28: Kristalne resetke

Rekristalizacija• Promene nastale plastičnom

deformacijom možemo ukloniti, a svojstva metala vratiti na početne vrednosti tj. na svojstva koja su metali imali pre obrade, ako deformisani metal zagrevamo do određenih temperatura i držimo na tim temperaturama određeno vreme i lagano ga hladimo.

• U procesu zagrevanja deformisani metal prolazi kroz tri faze:

1) oporavljanje, 2) rekristalizaciju i 3) porast metalnog zrna.

Page 29: Kristalne resetke

• Oporavljanje. hladno deformisani metal se zagreva do relativno niskih temperatura 0,2 do 0,3 (Ttop) i započinje proces oporavljanja, Unutrašnji naponi se smanjuju, smanjuje se količina tačkastih grešaka (vakansije) koje se premeštaju na granice metalnog zrna,ograničeno je pregrupisavanje dislokacija, dolazi do poligonizacije,

• Rekristalizacija. Temperatura početka rekristalizacije je u granicama od 0,3 do 0,6(Ttop). Za tehnički čiste metale, temperature rekristalizacije se kreću u granicama od 0,3 do 0,5(Ttop) metala, a za legure metala na bazi čvrstih rastvora ona je znatno viša i iznosi približno od 0,5 do 0,6(Ttop).

• Kao rezultat procesa rekristalizacije opada vrednost zatezne čvrstoće, vrednost napona tečenja, a svojstva plastičnosti rastu.

• Porast metalnog zrna. Ako bismo nastavili sa povećavanjem temperatura metala u procesu rekristalizacije, došlo bi do povećanja veličine metalnog zrna, koje može postati i veće nego pre obrade deformacijom. Ovo povećanje veličine metalnog zrna neznatno utiče na smanjenje mehaničkih svojstava.

• Međutim, krupnozrna struktura daje grubu površinu limu (pomorandžina kora)

Page 30: Kristalne resetke

Obrada deformacijom u hladnom i toplom stanju

• Temperaturni opseg za ove kategorije obrade plastičnom deformacijom su:

• obrada u hladnom stanju T/Ttop<0,3,

• obrada u polutoplom stanju T/Ttop=0,3 do 0,6, i

• obrada u toplom stanju T/Ttop >0,6.

• Osnovne razlike u kvalitetu proizvoda dobijenih obradom deformacijom u hladnom i toplom stanju su:

1. veća tačnost dimenzija, jer nema termičkog skupljanja i širenja za vreme procesa obrade deformacijom,

2. čistije i ravnije površine, jer ne dolazi do oksidacije za vreme procesa zagrevanja,

3. obrada u hladnom ili toplom stanju ima značajan uticaj na karakteristike kao što su: kovnost, mašinska obradivost i zavarljivost.