Embed Size (px)
Citation preview
1
29/09/2011 Copyright: dr. sc. Lidija Ćurković, izv. prof.
MATERIJALI I
Predavanja:
Prof.dr.sc. Đurđica Španiček
Dr.sc. Lidija Ćurković, izv. prof.
MATERIJALI I (SATNICA: 2+1)
PREDAVANJA (2 školska sata): četvrtak, 12:15-13:00; 13:15-14:00
POČETAK VJEŽBI:
U TJEDNU OD 26.09. – 30.09. 2011. PREMA RASPOREDU KOJI
ĆE BITI NA OGLASNIM PLOČAMA I WEB STRANICI FAKULTETA.
Vježbe se mogu pohađati isključivo u predviđenim terminima za dodijeljenu grupu.
Samo u iznimnim slučajevima (bolest ili slično) nadoknadu s nekom drugom grupom
može odobriti asistent Ivan Kumić, mag. ing. mech. utorkom i četvrtkom od 10 do 11 sati
u sobi D-210 (sjeverna zgrada).
2
Predviđeni termini za kolokvije:
1. kolokvij: 20.10.2011.
2. kolokvij: 01.12.2011.
3. kolokvij: 22.12.2011.
Podloge za vježbe su obvezne. Studenti ih mogu skinuti s web stranice Zavoda za materijale ili kupiti u skriptarnici FSB-a.
web stranica Zavoda za materijale:
www.fsb.unizg.hr/zavod_za _materijale
Materijali I obuhvaćaju tri dijela:
I. Uvod u strukturu materijala,
II. Dijagrami stanja materijala,
III. Mehanička svojstva materijala.
MATERIJALI I
Literatura:
1. V. Ivušić, M. Franz, Đ. Španiček, L. Ćurković, Materijali I, autorizirana predavanja
akademska godina 2011/2012. (web stranice Zavoda za materijale:
www.fsb.unizg.hr/zavod_za _materijale).
2. F. Kovačiček, Đ. Španiček: “MATERIJALI osnovne znanosti o materijalima”, FSB,
Zagreb, 2000.
3. V. Ivušić: “DIJAGRAMI STANJA METALA I LEGURA”, FSB, Zagreb, 2003.
4. M. Franz: “MEHANIČKA SVOJSTVA MATERIJALA”, FSB, Zagreb, 1998.
5. M. Stupnišek, F. Cajner: “OSNOVE TOPLINSKE OBRADBE METALA”, FSB,
Zagreb, 2001.
3
Materijali I obuhvaćaju tri dijela:
I. Uvod u strukturu materijala,
II. Dijagrami stanja materijala,
III. Mehanička svojstva materijala.
TVARI ili SUPSTANCIJE su bilo koji sređeni oblik postojanja MATERIJE.
MATERIJA je sve što zauzima neki prostor i posjeduje masu.Materijali su samo one tvari ko je se pogodnim postupcima mogu oblikovati u predmete točno određenog oblika, veličine i uporabne vrijednosti.
MATERIJALI su čvrste TVARI od kojih je nešto izrađeno ili sastavljeno.
TEHNIČKI MATERIJALI su oni MATERIJALI od kojih se izrađuju tehnički proizvodi, a posjeduju kombinaciju povoljnih fizikalno-kemijskih svojstava koja nazivamo tehničkim svojstvima.
TVAR koja posjeduje tehnička svojstva mora ispuniti još dva preduvjeta da postane TEHNIČKI MATERIJAL:
- mora se moći PRERAĐIVAT- mora bit pristupačna CIJENOM.
I. UVOD U STRUKTURU MATERIJALA
4
Današnji život i proizvodnju sažeto obilježava izreka:
“BEZ MATERIJALA NIŠTA NE POSTOJI, BEZ ENERGIJE SE
NIŠTA NE ZBIVA I BEZ INFORMACIJA NIŠTA NEMA SMISLA”.
Broj materijala od 1940. god. do danas ekponencijalno raste. Procjene govore da danas raspolažemo s oko 100 000 različitih vrsta materijala.
Broj osnovnih vrsta materijala je znatno manji, raznovrsnost se postiže variranjem SASTAVA i STRUKTURE.
OSNOVNE GRUPE TEHNIČKIH MATERIJALA
3. KERAMIKA I STAKLANeka svojstva keramike i stakla: tvrdi i krhki, izolatori, otporni pri povišenenimtemperaturama.
4. KOMPOZITIKompoziti su složeni materijali sastavljeni od najmanje dviju komponenti iz prethodne tri grupe.
2. POLIMERI Neka svojstva polimera: mala gustoća, loši vodiči, tale se i razlažu pri razmjerno nižoj temperaturi.
1.METALI I LEGURE (kovine i slitine)Neka svojstva metala i legura: dobri su vodiči topline i elektriciteta, duktilni, kovki, čvrsti.
MATERIJALI u svakoj grupi imaju RAZLIČITU STRUKTURU I SVOJSTVA.
STRUKTURA ↔ SVOJSTVA
5
PRIKAZ RAZINE GRAĐE MATERIJALA
Struktura materijala može se istraživati i opisati na četiri različite razine:1. makrostruktura
2. mikrostruktura
3. nanostruktura
4. struktura na razini atoma.
STRUKTURA ČVRSTIH TVARI ovisi o:
2. SLAGANJU STRUKTURNIH JEDINICA:- kristalna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica dugog dosega),
npr. metali, legure, keramika.
- amorfna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica kratkog dosega),
npr. staklo.
- kombinacija kristalne i amorfne strukture,npr. polimeri, keramika.
1. VRSTI VEZA IZMEĐU STRUKTURNIH JEDINICA- strukturne jedinice: atomi, ioni, molekule, makromolekule.
6
GRAĐA ATOMA
ATOMSKA JEZGRA
ELEKTRONSKI OMOTAČ
PROTONI (p+)NEUTRONI (n)
ELEKTRONI (e-)
ATOM
SHEMATSKI PRIKAZ GRAĐE ATOMA
ATOMSKA JEZGRA
ELEKTRONSKI OMOTAČ(elektronski oblak)
Elektroni u atomu se dijele na:
- valentne elektrone koji služe za vezanje atoma.
- unutarnje elektrone koji ne sudjeluju u kemijskoj vezi, tj. koji zadržavaju svoju
konfiguraciju u svim spojevima dotičnog elementa.
Vanjsku ljusku nazivamo i valentnom ljuskom,
a elektrone u valentnoj ljusci valentni elektroni.
7
SVAKA JE VRSTA ATOMA ODREĐENA ATOMSKIM ILI REDNIM BROJEM (Z) I MASENIM BROJEM (A).
MASENI BROJ = BROJ PROTONA + BROJ NEUTRONA
A = N (p+) + N (n)
ATOMSKI ILI REDNI BROJ = BROJ PROTONA = BROJ ELEKTRONA
Z = N (p+) = N (e-)
KEMIJSKI ELEMENT JE SKUP SVIH ATOMA S ISTIM ATOMSKIM ILI REDNIM BROJEM (Z).
EA
Z
Za element oznake E:
IZOTOPI su atomi određenog elementa, što znači istog atomskog broja (Z), a različitog masenog broja (A), zbog različitog broja neutrona u jezgri.
Npr. Izotopi vodika (H): H, H, H1
1
2
1
3
1
protij deuterij tricij
8
12,01C
62s2 2p2
Ar - relativnaatomska masa
simbol elementa
broj skupine
broj periode
atomski broj (Z)– broj elektrona
elektronskakonfiguracijavanjske ljuske
2
14
C ︶/12︵ mm A 12
a
ar
9
Elektronski omotač atoma je izgrađen od ELEKTRONA.
Pretpostavka je da se elektroni nalaze na točno određenim ENERGETSKIM RAZINAMA ili LJUSKAMA.
Energetske razine ili ljuske u kojima se mogu nalaziti elektroni u atomu označavamo
brojevima (n) od 1 do 7 ili slovima K, L, M, N, O, P i Q.
Unutar ljuske elektroni su raspoređeni u ORBITALE ili PODLJUSKE (l) koje
označavamo slovima s, p, d i f.
orbitala ili podljuska (l) s p d f
broj orbitala 1 3 5 7
Shematski orbitale prikazujemo kvadratićem . U svakoj orbitali mogu se nalaziti po dva elektrona
suprotnog spina.
Spin elektrona može se protumačiti kao vrtnja elektrona oko vlastite osi.
paralelni položaj antiparalelni položaj
10
Raspored elektrona u atomu po energijskim razinama naziva se ELEKTRONSKA
KONFIGURACIJA.
Elektronska konfiguracija svih ljuski.
1. K - ljuska 1 s2
2. L – ljuska 2 s2 2 p6
3. M – ljuska 3 s2 3 p6 3 d10
4. N – ljuska 4 s2 4 p6 4 d10 4 f14
5. O – ljuska 5 s2 5 p6 5 d10 5 f14
6. P – ljuska 6 s2 6 p6 6 d10
7. Q – ljuska 7 s2
1s2
2s2
3s2
4s2
5s2
6s2
7s2
2p6
3p6
4p6
5p6
6p6
3d10
4d10
5d10
6d10
4f14
5f14
REDOSLIJED POPUNJAVANJA ORBITALA (pravilo dijagonale).
11
4191314s23d10Zn
10833394s13d10Cu
14564234s23d8Ni
14903834s23d7Co
15354184s23d6Fe
19033984s13d3Cr
18124734s23d2Ti
8511774s2Ca
63,589,64s1K
Talište, °CEnergija vezanja,kJ/mol
Elektronska konfiguracijaElement
Elektronska konfiguracija, energija vezanja i tališta nekih metala
STRUKTURA ČVRSTIH TVARI ovisi o:
1. VRSTI VEZA IZMEĐU STRUKTURNIH JEDINICA
- strukturne jedinice: atomi, ioni, molekule, makromolekule.
2. SLAGANJU STRUKTURNIH JEDINICA:- kristalna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica dugog dosega),
- amorfna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica kratkog dosega),
- kombinacija kristalne i amorfne strukture, npr. polimeri, keramika.
12
VALENCIJA je svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s određenimbrojem atoma drugog elementa .
ATOMI SE MEĐUSOBNO SPAJAJU ZATO ŠTO ČINE ENERGIJSKI STABILNIJI SUSTAV .
Elektronegativnost je svojstvo atoma da privuče na svoju stranu elektronski oblak nastao stvaranjem kemijske veze.
ATOMI se mogu spajat međusobnim djelovanjem svojih VALENTNIH ELEKTRONA.
1. IONSKA VEZA
2. KOVALENTNA VEZA
3. METALNA VEZA
VEZE IZMEĐU ATOMA (PRIMARNE ili KEMIJSKE VEZE):
VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):
1. STALNI (PERMANENTNI) DIPOLI
2. PROMJENJIVI DIPOLI
13
IONSKA VEZA- nastaje spajanjem ATOMA METALA s ATOMIMA NEMETALA.
Kako nastaju ioni?
neutralniatom
kation(+)
anion(-)
gubi
tak el
ektro
na
primanje elektrona
METALI imaju malu energiju ionizacije i lako tvore POZITIVNE IONEkoje nazivamo KATIONI
NEMETALI imaju veliki afinitet prema elektronu pa lako tvore NEGATIVNE IONEkoje nazivamo ANIONI
IONSKA VEZA
Na+ 2s2 2p6 Cl- 3s2 3p6
valentni elektron
IONSKA VEZA je veza koju uzrokuje elektrostatsko privlačenje suprotno nabijenih iona.
14
IONSKA VEZA
Polumjer pozitivnog iona, KATIONA, uvijek je MANJI od polumjera njegovog
atoma, jer je broj protona veći od broja elektrona pa jezgra jače privlači
elektrone. Polumjer negativnog iona, ANIONA, nešto je VEĆI od polumjera njegovog atoma, jer jezgra slabije privlači veći broj elektrona.
KOVALENTNA VEZA
NASTAJE PRI SPAJANJU ATOMA NEMETALA (diobom valentnih elektrone između atoma, stvaranjem zajedničkog elektronskog para ili više).JEDNOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:
+
DVOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:
TROSTRUKA KOVALENTNA VEZA:
15
METALNA VEZA
ELEKTRONSKI PLIN (slobodni valentni elektroni)
POZITIVNI METALNI IONI (jezgra + unutarnji elektroni)
VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):
- nastaju uslijed POLARIZACIJE molekule.
- mjera za POLARNOST MOLEKULE je DIPOLNI MOMENT
= q · a (umnožak električnog naboja i udaljenosti razmaka između pozitivnog i negativnog naboja)
-q +q
a
POLARNOST je posljedica razlike u ELEKTRONEGATIVNOSTI elemenata koji su povezani, ali i OBLIKA (GRAĐE) molekule
Elektronegativnost je svojstvo atoma da privuče na svoju stranu elektronski oblak nastao stvaranjem kemijske veze.
16
VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):
1. Van der Waalsova veza: H - Cl ...............H - Cl
2. Vodikova veza: H2O ........... H2O H – F ....... H - F
3. Inducirane dipolne veze: Fe2+ ..........O2
4. Disperzne (Londonove) veze: F – F ............ F – F ; Ar ............ Ar
B) PROMJENJIVI DIPOLI:
A) STALNI (permanentni) DIPOLI
+ -+ -
+ - + -
VODIKOVA VEZA javlja se između MOLEKULA u kojima su vodikovi (H)atomi povezani s najjače elektronegativnim atomima, tj. atomima fluora (F),kisika (O) i dušika (N).
Vodikova veza je jača od van der Waalsove veze, a slabija od ionske i kovalentne veze.
+ 2- + 2-
17
SLAGANJE STRUKTURNIH JEDINICA
ČVRSTE TVARI
AMORFNEili
NEKRISTALNESTRUKTURE
KRISTALNESTRUKTURE
MONOKRISTALNI MATERIJALI
(pojedinačni kristal)
POLIKRISTALNI MATERIJALI
KRISTALNE STRUKTURE
MONOKRISTALNI MATERIJALI(npr. monokristal Si za izradu čipova, turbinske lopatice napravljene su od monokristala super legura na bazi Ni).
POLIKRISTALNI MATERIJALI
GRANICE ZRNA
ZRNAturbinske lopatice
monokristal Si (silicij)
18
Primjer proizvodnje monokristalnog Si Czochralski metodom (metoda izvlačenja monokristala iz taline)
Monokristalni Si je glavna komponenta za proizvodnju mikročipova.
Czochralski metoda
Klica kristalizacije
Ingot
Posuda za taljenje
Namotani grijač
Rastaljeni silicij
AGREGATNA STANJA TVARI:ČVRSTO (kruto) (s); KAPLJEVITO (tekuće) (l) i PLINOVITO (g)
tekuće (kapljevito) (l)
19
KRISTALIZACIJA metala – postupak skrućivanja metala iz taljevine.
KLICE ILI NUKLEUSI KRISTALIZACIJE: agregati atoma sa stalim položajem.BRZINA NUKLEACIJE: broj klica nastalih u određenom volumenu u jedinici vremena.
BRZINA RASTA: koliko se novih atoma veže na klicu u jedinici vremena.
Za vrijeme skrućivanja mijenja se raspored atoma od pravilnog rasporeda kratkog dosega do pravilnog rasporeda dugog dosega, odnosno u kristalnu strukturu.
Kristalizacija (skrućivanje) se odvija kroz dva stupnja: NUKLEACIJU I RAST.
Konačna mikrostruktura čvrstih tvari ovisi o odnosu ovih dviju brzina.
Broj zrna čvrstog materijala je veći i zrna su sitnija što je brzina nukleacija veća, a brzina rasta manja.
Većina kristaliziranih materijala rijetko je u obliku monokristala, već su to polikristalni agregati sastavljeni od velikog broja sitnih zrna ili kristalita.
Svako zrno u agregatu povezano je s drugim zrnima granicama zrna.Granice zrna: površine nepravilog oblika i nemaju pravilan raspored atoma.
Tijek kristalizacije: a) pojava prvih klica, b) i c) rast zrna i stvaranje novih klica, d) kristalizirana čvrsta tvar
20
Kristalna struktura neke tvari jest cjelokupni poredak strukturnih jedinica (atoma, iona, molekula) u tzv. prostornoj rešetki.
Jedinična ili elementarna ćelija je najmanji dio prostorne rešetke, koji ponavljan u tri dimenzije daje cijelu kristalnu rešetku.
Jedinična Ponavljanje Ponavljanje duž osi y Ponavljanje duž osi x
ćelija duž osi z
Jedinična ćelija je temeljna “cigla” iz koje se slaganjem može izgraditi čitav kristal.
KRISTALNI SUSTAV
Kristalni sustav se opisuje:
- kristalnim osima: x, y, z- parametrima po kristalnim osima: a, b, c- kutovima između kristalnih osi: , , .
Prema odnosu veličina parametara a, b, c i kutovima , i sve kristalne strukture mogu se prikazati u 14 vrsta jediničnih ćelija razvrstanih u 7 osnovnih kristalnih sustava.
a
b
c
x
y
z
21
KRISTALNI SUSTAVI:
1. KUBIČNI ili TESERALNI (3 jedinične ćelije)
2. TETRAGONSKI (2 jedinične ćelije)
3. ROMPSKI ili ORTOROMPSKI (4 jedinične ćelije)
4. TRIGONSKI ili ROMBOEDARSKI (1 jedinična ćelija)
5. MONOKLINSKI (2 jedinične ćelije)
6. TRIKLINSKI (1 jedinična ćelija)
7. HEKSAGONSKI (1 jedinična ćelija)
Kristalni sustav Jedinične ćelije
1. KUBIČNI ili TESERALNI
2. TETRAGONSKI
3. ROMPSKI ili ORTOROMPSKI
4. TRIGONSKI ili ROMBOEDARSKI
Kristalni sustavi i pripadajuće jedinične ćelije
22
5. MONOKLINSKI
6. TRIKLINSKI
7. HEKSAGONSKI
Kristalni sustav Jedinične ćelije
Većina metala kristalizira u KUBIČNOM i HEKSAGONSKOM SUSTAVU.
Slaganje atoma može se prikazati jediničnim ćelijama tri kristalne rešetke u kojima kristalizira oko 90 % metala, a to su:
1. PROSTORNO CENTRIRANOJ KUBIČNOJ (BCC) (BCC - eng. body centered cubic)
2. PLOŠNO CENTRIRANOJ KUBIČNOJ (FCC) (FCC – eng. face centered cubic)
3. GUSTO SLAGANOJ HEKSAGONSKOJ (HCP) (HCP – eng. hexagonal close packed).
STRUKTURA METALA (kovina)
23
Pokazatelji za opisivanje jedinične ćelije:
- PRIPADNI BROJ ATOMA (PBA) – je broj atoma koji pripada jednoj jediničnoj
ćeliji .
- KOORDINACIJSKI BROJ (KB) - je broj atoma koji «dodiruju» pojedini atomi, ili broj najbližih susjednih atoma.
- FAKTOR GUSTOĆE SLAGANJA ATOMA (FGSA) - pokazuju kako je iskorišten prostor kojim atomi raspolažu u dotičnom kristalnom sustavu.
- Kristalne osi: x, y , z (poklapaju se sa stranicama jediničnećelije).
- Parametri po kristalnim osima: a, b, c (najmanja međusobnaudaljenost atoma).
- Kutovi među kristalnim osima: , , .
KUBIČNI KRISTALNI SUSTAV
Karakteristike:Kristalografske osi: x, y i zKutovi: = = = 90o.Parametri po kristalografskim osima: a = b = c
Tri jedinične ćelije: • jednostavna (SC)• prostorno centrirana (BCC)• plošno centrirana (FCC).
z
x
yaa
a
24
PROSTORNO CENTRIRANA KUBIČNA (BCC - eng. body-centered cubic) jedinična ćelija.
Primjeri: Cr, Mo, W, - Fe , Nb, V, Na, K
Model prostorno centrirane kubične jedinične ćelije: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.
PBA = 2
KB = 8
FGSA = 68 %Volumen slobodnog prostora: 100 %- 68 % = 32 %
3
4 Ra
Model prostorno centrirane kubične jedinične ćelije: položaj atoma u jediničnoj ćeliji.
Model prostorno centrirane kubične jedinične ćelije: atomi koji pripadaju jednoj jediničnoj ćeliji.
Prikaz određivanja koordinacijskog broja za BCC jediničnu ćeliju
1
2 3
4
5 6
78
1
1/8 1/8
1/8 1/8
1/8
1/81/8
25
PLOŠNO CENTRIRANA KUBIČNA (FCC – eng. face-centeredcubic) jedinična ćelija
Primjeri: Al, Cu, Ag, Au, -Fe, Pb, Ni, Pt
Model plošno centrirane kubične jedinične ćelije: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.
Model plošno centrirane kubične jedinične ćelije: položaj atoma u jediničnoj ćeliji.
2
R 4 a
PBA = 4
KB = 12
FGSA = 74 %Volumen slobodnog prostora: 100 %- 74 % =26 %
Model plošno centrirane kubične jedinične ćelije: atomi koji pripadaju jednoj jediničnoj ćeliji.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1/81/8
1/8 1/8
1/81/8
1/81/2 1/2
1/2
26
Ravnina najveće zaposjednutosti atomima u FCC strukturi: (111)
Karakteristike: kristalografske osi: x1, x2, x3 i zKutovi: = = 90o, = 120o
Parametri po kristalografskim osima: a1 = a2 = a3 ≠ c
HEKSAGONSKI KRISTALNI SUSTAV
x1
x2
x3
z
120°
aa
c
a
90°
27
Primjeri: Cd, Mg, Zn, Ti, Co
HEKSAGONSKI KRISTALNI SUSTAV
JEDINIČNA ĆELIJA GUSTO SLAGANE HEKSAGONSKE KRISTALNE REŠETKE (HCP – eng. hexagonal close packed).
Model jedinične ćelije gusto slagane heksagonske kristalne rešetke: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.
PBA = 6
KB = 12
FGSA = 74 %Volumen slobodnog prostora: 100 %- 74 % = 26 %a = 2 Rc = 1,633 a
JEDINIČNA ĆELIJA GUSTO SLAGANE HEKSAGONSKE KRISTALNE REŠETKE (HCP – eng. hexagonal close packed).
Model jedinične ćelije gusto slagane heksagonske kristalne rešetke: položaj atoma u jediničnoj ćeliji.
1
1 1
1/2
1/2
1/6
1/6
1/6
1/6
1/6 1/6
1/6
1/6
1/6
1/6
1/6
1/6
28
KARAKTERISTIČNE VELIČINE BCC, FCC I HCP JEDINIČNE ĆELIJE
Veličina BCC FCC HCP
PBA 2 4 6
KB 8 12 12
FGSA 68 % 74 % 74 %
Parametar a izražen polumjerom atoma R
34R a
24R a
a = 2 R
c = 1,633 a
OKTAEDARSKA PRAZNINA U FCC JEDINIČNOJ ĆELIJI
TETRAEDARSKA PRAZNINA U BCC JEDINIČNOJ ĆELIJI
z
x
y
29
STRUKTURA KERAMIKE
1. IONSKI KRISTALI
2. KOVALENTNI KRISTALI
JAKOST VEZE
JAKE SLABE
UDIO IONSKOG KARAKTERA VEZE
KOVALENTNA IONSKA METALNA FIZIKALNE VEZE
% (ionskog karaktera) = 1-exp-0,25(XA-XB)2 100
XA = elektronegativnost elementa AXB = elektronegativnost elementa B
IONSKI KRISTALI
IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između većih aniona.
30
IONSKI KRISTALI
IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između većih aniona.
Koordinacijski broj i vrsta praznine (koordinacijski poliedar) koji kationipopunjavaju ovisi o omjeru rkationa/raniona.
0,155 < rK/rA < 0,225 KB = 3 (trigonalne praznine)
0,225 < rK/rA < 0,414 KB = 4 (tetraedarske praznine)
0,414 < rK/rA < 0,732 KB = 6 (oktaedararske praznine)
rK/rA < 0,155 KB = 2 (linearni raspored)
rK/rA rK/rA rK/rA
nestabilno stabilno stabilno
ZA STABILNU KORDINACIJU KATIONI I ANIONI MORAJU BITI U KONTAKTU!
IONSKI KRISTALI
rK/rA >1,000 KB = 12 (kuboktaedarska praznia)
0,732 < rK/rA < 1,000 KB = 8 (kubična praznia)
31
IONSKI KRISTALI
Kristalna rešetka tipa NaCl – (radi se o dvije isprepletene plošno centrirane kubične rešetke (FCC)
rkationa = rNa+ = 0,102 nm
raniona = rCl- = 0,181 nm
rkationa/raniona = 0,56
KB = 6 prvih susjeda (iona druge vrste)
Ci-: FCC jedinična ćelija
Na+: u oktaedarskim prazninama
Istu kristalnu strukturu imaju: LiCl, MgO, CaO, MnO, FeO, CoO, NiO, itd.
Na+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
KOVALENTNI KRISTALI
Npr. ZnS -kovalentna veza dominira.rkationa = r (Zn2+) = 0,06 nm
raniona = r (S2-) = 0,184 nm
rkationa/raniona = 0,33
KB = 4
S2-: FCC jedinična ćelijaZn2+ u tetraedarskim prazninama
S2-
S2-
S2-
S2-
% (ionskog karaktera ZnS) = 1-exp-0,25(XA-XB)2 100 = 18 %
XA = elektronegativnost elementa A; XB = elektronegativnost elementa B
elektronegativnost (Zn) = 1,6 elektronegativnost (S) = 2,5
Zn2+
32
KOVALENTNI KRISTALI:
Struktura kristala u kojoj su atomi povezani kovalentnom vezom određena je brojem kovalentnih veza svakog pojedinog atoma i usmjerenošću tih veza. Koordinacijski broj određuje se relacijom: 8-N, gdje je N broj valentnih elektrona.
Istu kristalnu strukturu ima npr. SiC, dijamant, Si, Ge , ............
Si
O
O
O
O4-
KOVALENTNI KRISTALI
SILIKATNA STRUKTURA - osnova 44SiO
33
KOVALENTNI KRISTALI
KRISTALNA STRUKTURA KRISTOBALITA
SiO2 može imati KRISTALNU STRUKTURU (npr. kvarc, kristobalit) ili AMORFNU STRUKTURU (npr. staklo)
AMORFNA STRUKTURA – struktura stakla
Najveći dio svjetske proizvodnje stakla čine silikatna stakla, osnovna komponenta kod
silikatnog stakla je SiO2, a strukturna jedinica je tetraedar.44SiO
34
POLIMERI
POLIMERI - tvari građene od MAKROMOLEKULA.
Naziv polimer dolazi od grčkih riječi: “poli” = mnogo i “meros” = čestica.
n CH2 = CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -...... - CH2 - CH2 -n
eten ponavljana jedinicapolietilen(PE)
monomer mer polimer
Polimeri su kondenzirani sustavi makromolekula.
Polimeri nastaju reakcijom polimerizacije najčešće nezasićenih spojeva s dvostrukom i trostrukom kovalentnom vezom koje su energijski bogatije i reaktivnije, npr. nastajanje PE (polietilen)
POLIMERI
n - stupanj polimerizacije - broj mera u polimernoj molekuli (makromolekuli).To je promjenjiva veličina i ovisi o uvijetima polimerizacije. Ima veliki utjecaj na svojstva nastalih polimera, što je veći stupanj polimerizacije to su i uporabana svojstva nekog polimera bolja (ali ne i preradbena).
Polimere dijelimo (prema porijeklu) u dvije skupine: prirodne i sintetkse polimere.Primjeri prirodnih polimera: kaučuk (poliizopren), celuloza (polisaharid), proteini, nukleinske kiseline,...
Monomer je tvar koja reakcijom s molekulama iste ili različite konstitucije daje polimer.
Mer je ponavljana strukturna jedinica od koje je građena makromolekula.
POLIMOLEKULARNOST ili POLIDISPERZNOST je pojava da se makromolekularni sustavi sastoje od smjese molekula različitih veličina i masa.
35
PODJELA TEHNIČKIH POLIMERA:
B) Prema reakcijskom mehanizmu nastajanja (reakciji polimerizacije):- adicijski (lančani)- kondenzacijski (stupnjeviti)
D) Prema vrsti ponavljanih jedinica:- homopolimeri (jedna vrsta ponavljanih jedinica)- kopolimeri (dvije ili više vrste ponavljanih jedinica)
C) Prema vrsti veza između makromolekula i ponašanju pri zagrijavanju:- plastomeri (termoplasti)- duromeri (duroplasti)- elastomeri.
A) Prema porijeklu:- prirodni oplemenjeni(kaučuk, celuloza)- sintetski
KOPOLIMERIZACIJA:isovremena polimerizacija dva ili više bifunkcionalna sustava
od kojih je svaki za sebe sposoban za polimerizaciju
CH2=CH-CH=CH2 (-CH2-CH=CH-CH2-)n
butadien polibutadien
CH2=CH
stiren polistiren
Npr. kopolimer butadien : stiren = 75 : 25 predstavlja osnovu za današnju industrijsku
auto gumu-sintetski kaučuk BUNA S.
CH2=CH ( -CH
2-CH - )
nCH
2=CH ( -CH
2-CH - )
nn
36
Karakteristike adicijske (lanačane) polimerizacije:
- najčešće samo jedna vrsta monomera
- svojstva dobivenog polimera jako ovisna o stupnju polimerizacije.
Karakteristike kondenzacijske (stupnjevite) polimerizacije:
- uvijek reagiraju dva različita monomera
- uz polimer nastaje niskomolekulni nusprodukt (voda, CO2)
- umrežena struktura nastaje u nekoliko potpuno odvojenih faza (oblikovanje u fazi
dobivanja).
B) Prema reakcijskom mehanizmu nastajanja (reakciji polimerizacije):- adicijski (lančani)- kondenzacijski (stupnjeviti)
STRUKTURA POLIMERA OVISIT ĆE O:
1. VRSTI VEZA IZMEĐU MAKROMOLEKULA
2. SLAGANJU MAKROMOLEKULA
37
Podjela polimera prema vrsti veza između makromolekula i ponašanju pri zagrijavanju:
1. PLASTOMERI (termolasti) FIZIKALNE VEZE IZMEĐU
MAKROMOLEKULA LINEARNA STRUKTURA
ZAGRIJAVANJEM MEKŠAJU I TALE SE
Npr. - polietilen, PE;
- polipropilen, PP;
- polistiren, PS;
- poli(tetrafluoretilen), PTFE (teflon);
- polioksimetilen, POM;
- poli(metil-metakrilat) , PMMA (organsko staklo, Pleksiglas);
- polikarbonati, PC;
- poli(etilen-tereftalat), PET.
2. ELASTOMERI FIZIKALNE I KEMIJSKE VEZE IZMEĐU
MAKROMOLEKULA RAHLO UMREŽENA STRUKTURA
ZAGRIJAVANJEM MEKŠAJU I NE TALE SE
Npr. gume
3. DUROMERI KEMIJSKE VEZE IZMEĐU MAKROMOLEKULA
POTPUNO UMREŽENA STRUKTURA ZAGRIJAVANJEM NE
MEKŠAJU I NE TALE SE
Npr. - fenolformaldehidna smola, PF;
- epoksidna smola, ES;
- melamin-formaldehhidne smole, MF.
38
SLAGANJE STRUKTURNIH JEDINICA (makromolekula)
Stupanj kristaliničnosti:
5 % - 96 %
PE (polietilen)
područje sa kristalnom strukturom
područje sa amorfnom strukturom
POLIMORFIJA ili ALOTROPIJAPOLIMORFIJA ili ALOTRPIJA je pojava da se neka tvar javlja u DVAili VIŠE STRUKTURNIH OBLIKA pri promjeni vanjskih uvjeta (tlak, temperatura).
ALOTROPSKE modifikacije Fe:do 911 oC BCC (-Fe)
911 – 1394 oC FCC (-Fe)
1394 oC iz FCC u BCC (-Fe)
POLIMORFNE modifikacije SiO2 :
KREMEN, KVARC870 oC
TRIDIMIT1470 oC
KRISTOBALIT
Pojam ALOTROPIJA se rabi za elemente, dok se pojam POLIMORFIJA rabi za spojeve.
39
ALOTROPSKE modifikacije C
DIJAMANT
FULEREN, C60, Buckminsterfulleren
GRAFIT
Deformacija metala ostvaruje se u pravilu na ravninama najgušće zaposjednutim
atomima u smjeru pravaca najgušćeg slaganja atoma.
Ravnine na kojima se ostvaruje deformiranje nazivamo KLIZNIM
RAVNINAMA, a pravce KLIZNIM PRAVCIMA.
KLIZNE RAVNINE i njima pripadajući KLIZNI PRAVCI čine KLIZNI
SUSTAV.
KLIZNI SUSTAV
40
4 kilzne ravnine x 3 klizna pravca = 12 kliznih sustava
Ravnine najveće zaposjednutosti atomima u FCC strukturi su {111}, najgušće slagani pravce su 110 .
6 kilznih ravnina x 2 klizna pravca = 12 kliznih sustava
BCC struktura nema ravnine najveće zaposjednutosti atomima poput FCC strukture. Relativno najgušće slagane ravnine u BCC strukturi su {110}. BCC struktura ima najgušće slagane pravce 111 .
41
1 kilzna ravnina x 3 klizna pravca = 3 klizna sustava
Ravnina najveće zaposjednutosti atomima u HCP strukturi je (0001).
x1
x2
x3
z
Deformabilnost ovisi o vrsti kristalne rešetke:
- FCC jednostavno za plastično deformiranje
- BCC nešto slabije za plastično deformiranje od FCC
- HCP teško za plastično deformiranje osim u slučaju tople obrade.
Općenito, metali koji imaju veći broj kliznih sustava su duktilniji od metala koji
imaju manji broj kliznih sustava.
Zbog toga su metali sa FCC i BCC rešetkom općenito duktilni dok su metali sa
HCP rešetkom manje duktilni.
Što je veću plastičnu deformaciju materijal sposoban podnijeti bez loma to je
duktilniji.
42
Nesavršenosti kristalne građe
Difuzija
Legure, kristali legura
Nesavršenosti (nepravilnosti, pogreške) kristalne građe:
- Nuldimenzijske ili točkaste
- Jednodimenzijske ili linijske
- Dvodimenzijske ili površinske
- Trodimenzijske ili prostorne (volumne)
Mikrostruktura: struktura + nesavršenost (nepravilnost, pogreška)
43
Nuldimenzijske ili točkaste nesavršenosti:
- praznine (vakancije)
- supstitucijski (zamjenski) atom
- intersticijski (uključinski) atom
Praznina ili vakancija Veći supstitucijski (zamjenski) strani atom
Intersticijski (uključinski) strani atom
Shematski prikaz točkastih nesavršenosti (Strelice pokazuju lokalne napetosti na
mjestima gdje su točkaste nesavršenosti):
3 – intersticijski atom1 – praznina (vakancija)
2 – samo-intersticijski atom
(samodifuzija kod čistih metala)
4 – manji supstitucijski strani atom 5 – veći supstitucijski strani atom
44
Jednodimenzijske ili linijske nesavršenosti:
- bridna dislokacija
- vijčana dislokacija
Jednodimenzijske nesavršenosti: BRIDNA DISLOKACIJA
U kristalnoj strukturi
postoji jedna dodatna
(umetnuta) ravnina koja
se ne proteže kroz cijeli
kristal nego završava
negdje u unutrašnjosti .
oznaka
bridne
dislokacije
Veličina i smjer sklizanja koji proizlazi iz
kretanja pojedinačne dislokacije određeni
su BURGERSOVIM VEKTOROM , b.
b
45
Jednodimenzijske nesavršenosti: BRIDNA DISLOKACIJA- postoji jedna dodatna ravnina koja se NE proteže kroz cijeli kristal nego završava negdje u
unutrašnjosti.
Gibanje dislokacija. Dislokacije utječu na plastičnost kristala (neelastična deformacija). Plastična deformacija rezultat je gibanja dislokacija.
Oznaka za bridnu dislokaciju:
Veličina i smjer sklizanja koji proizlazi iz
kretanja pojedinačne dislokacije određeni
su BURGERSOVIM VEKTOROM , b.
46
Klizna ravnina
Jednodimenzijske nesavršenosti: VIJČANA DISLOKACIJA
- u dijelu kristala ravnine su pomaknute jedna u odnosu na drugu.
Nema dodatne kristalne ravnine.
Oznaka za vijčanu dislokaciju:
47
Dislokacije u niklu (Ni) (crne linije i petlje), slika je dobivena transmisijskim
elektronskim mikroskopom.
Osnovne dislokacije se mogu kombinirati i tvoriti složene linijske nesavršenosti. Realni kristali imaju miješane dislokacije (kombinacija bridne i vijčane).
Kristal prije pomaka
Kristal nakon određenog pomaka
Cijeli pomak kroz dio kristala
Cijeli pomak kroz čitav kristal
Vijčani dio dislokacije
Bridni dio dislokacije
Dislokacije, slika je dobivena transmisijskim elektronskim mikroskopom (povećanje je od 50 000 do 300 000 x)
Dvodimenzijske nesavršenosti:
- Malokutne granice kristalnog zrna
- Velikokutne granice kristalnog zrna
- Granice dvojnika
- Fazne granice
48
Granica zrna Kristalno zrno
Velikokutne granice zrna
Malokutne granice zrna
Granice dvojnika
Trodimenzijske nesavršenosti:
- to nisu nesavršenosti kristala već su pogreške materijala: pore, uključine....
49
DIFUZIJA:
Mehanizam kojima se tvari premještaju kroz tvari u plinovitom,
tekućem i čvrstom (krutom) stanju.
Difuzija je toplinski aktivirani proces, najviše ovisi o tepmeraturi i
vremenu.
Difuzija kod metala i legura je pojava kretanja atoma u kristalnoj rešetci.
To je toplinski aktiviran proces ovisan o vremenu.
U čvrstom (krutom) stanju mehanizmi kretanja atoma mogu biti:
1. Supstitucijski (zamjenski) mehanizam
2. Intersticijski (uključinski) mehanizam
1. Supstitucijski mehanizam (izmjena mjesta atoma i praznina )Supstitucijski mehanizam je prisutan kod čistih metala – tzv. samodifuzija i kod legura (slitina).
2. Intersticijski mehanizam (mali atomi se kreću od jednog intersticijskog mjesta do drugog)
50
Na intenzitet difuzije utječe:
• - Temperatura
• - Kristalna struktura
• - Koncentracija tvari koja difundira
• - Nesavršenosti kristala
• - Vrijeme
Intenzitet difuzije označavamo s J (broj atoma, grama ili molova tvari koje prolaze kroz ravninu jedinične površine u jedinici vremena)I. Fickov zakon:
J = -D dc/dx,
Gdje je :
D - difuznost ili koeficjent difuzije,
dc/dx - gradijent koncentracije ,
Negativni predznak ukazuje da je smjer difuzije od više prema nižoj
koncentraciji.
D – difuznost ili koeficijent difuzije (je mjera pokretljivosti difundirajućeg atoma)je definirana sljedećim izrazom:
D = Do e –Qd/RT, m2/sGdje su:
Do – konstanta difuzije materijala (m2/s),
Qd - energija aktivacije difuzije (J/mol),
R - plinska konstanta (8,31 J/mol K),
T - apsolutna temperatura (K).
sm
atoma brojili
sm
mol ili
sm
kgJ
222
51
STRUKTURA LEGURA ili slitina
Legura je tvar koju čine dva ili više kemijskih elemenata, od kojih je barem jedan kemijski elemenat metal, a drugi mogu biti metal ili nemetal.
KRISTALI LEGURA:1. KRISTALI MJEŠANCI:
- supstitucijski ili zamjenski
- uključinski ili intersticijski
- kombinacija supstitucijsko - intersticijski odnosno zamjensko - uključinski
2. KRISTALI INTERMETALNOG SPOJA
3. KRISTALI KEMIJSKOG SPOJA
4. KRISTALE SMJESE
Elementi tvore zajedničku kristalnu rešetku (sačuvana je rešetka jednog od njih).
Uvjeti za nastajanje kristala mješanaca:
- faktor veličine atoma ,
- faktor elektronegativnosti,
- faktor valencije ,
- kristalna struktura .
1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)
52
1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)• supstitucijski ili zamjenski Primjeri: - Cu-Ni legure;
- Cu-Zn legure: Zn ima topljivost u Cu do 30 % Zn; - Cr u Fe
atomi topitelja (Fe)
atomi otopljenog elementa (Cr)
Cu-Ni legure:
Cu: FCC rešetka, R (Cu) = 128 pm
Ni: FCC rešetka , R (Ni) = 125 pm
1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)• uključinski ili intersticijskiPrimjer - čelici: C u Fe
atomi topitelja (Fe)
atomi otopljenog elementa (C)
53
1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)• kombinacija supstitucijsko - intersticijski odnosno zamjensko - uključinski
(primjer: Cr, C i Ni u Fe)
atomi topitelja (Fe)
atomi otopljenog elementa (Cr)
atomi otopljenog elementa (C)
atomi otopljenog elementa (Ni)
Elementni tvore novu zajedničku rešetku. Nastaju kada koncentracija legirajućeg elementa prijeđe granicu topljivosti u osnovnom metalu.
2. KRISTALI INTERMETALNOG SPOJA (sekundarne čvrste otopine)
Kristali intermetalnog spoja - obje komponente metali, npr. legure Cu i Zn(mjedi s udjelom Zn preko 30 %): β–CuZn, γ–Cu5Zn8, ε–CuZn3.
3. KRISTALI KEMIJSKOG SPOJA
• jedna komponenta je nemetal, npr. MnS (javlja se kod čelika). S je nemetal, Mn je metal; razlika u elektronegativnosti je prevelika.
Kemijski element
R, (radijus atoma, nm)
Kristalna struktura
Elektrone-gativnost Valecija
Mn (mangan) 0,135 BCC 1,55 +2
S (sumpor) 0,127 2,58 -2
54
4. KRISTALE SMJESE
• dvije komponente potpuno netopljive jedna u drugoj.Primjer: legure Cu i Pb (oba metala imaju FCC rešetku, ali je prevelika razlika u veličini atoma da bi tvorili kristale mješance).
Kemijski element
R, (radijus atoma, nm)
Kristalna struktura
Elektrone-gativnost
Valecija
Cu (bakar) 0,1278 FCC 1,9 +2
Pb (olovo) 0,175 FCC 2,33 +2
Ista kristalna struktura, razlika u elektronegativnosti nije prevelika,
ali je prevelika R, %.
%93,361000,1278
0,1278-0,175 100
(Cu) R
(Cu) R- (Pb) R Cu)-(Pb ΔR
