Transcript B - kluvi.com

Úvod do materiálových věd a
inženýrství
Ing. Eva Novotná, Ph.D., Paed. IGIP
A3/401a
tel. 5 4114 3180
email: [email protected]
Časový plán výuky
1
Struktura hmoty
2
Chování kovů za působení vnějších sil I
3
Chování kovů za působení vnějších sil II
4
Úvod do termodynamiky
5
Úvod do kinetiky
6
Úvod do difuze
7
Fázové přeměny a fázové diagramy I
8
Fázové přeměny a fázové diagramy II
9
Tuhnutí, krystalizace a fázové přeměny v tuhém stavu
10
Kovové materiály, keramika
11
Polymery
12
Kompozity
13
Degradace materiálů, další vlastnosti materiálů
Studijní materiály
www.ime.fme.vutbr.cz :
Studium – výuka  zadání cvičení
Studium – studijní opory  podpůrné materiály do cvičení
Poznámky z přednášek
Další
Struktura hmoty - osnova
1. Atom – stavba, modely, elektronová konfigurace, periodická
soustava prvků
2. Vazby mezi atomy – iontová, kovalentní, kovová, vodíkové
můstky, van der Waalsova vazba
3. Krystalografie – uložení částic v prostoru, krystalografické
mřížky, Millerovy indexy krystalografických směrů a rovin
4. Poruchy krystalografických mříží – bodové, čarové, plošné,
prostorové
Pozn.: body 1 a 2 byly dostatečně probrány v předmětu CHEMIE,
proto zde jen stručný přehled
1. Atom
Proton
Elektrický náboj [C] + 1,602 . 10 -19
Hmotnost [kg]
1,672 . 10 -27
Neutron
Elektron
0
- 1,602 . 10 -19
1,678 . 10 -27
9,11 . 10 -31
Popis atomu
 Atom libovolného prvku je možno popsat pomocí
nukleonového a protonového čísla:
Nukleonové číslo
udává počet nukleonů
v jádře atomu prvku X.
Počet neutronů v jádře
atomu stejného prvku
může být různý; podle
toho se určují izotopy
daného prvku.
Obecné označení
prvku
N
Z
X
Protonové (atomové) číslo
udává počet protonů v jádře
atomu prvku X.
Počet protonů v jádře atomu
stejného prvku je vždy
stejný; u elektroneutrálního
atomu udává Z i počet
elektronů.
Bohrův model atomu
První akceptovatelný model atomu
předložil v roce 1913 Niels Bohr.
Kvantově mechanický model atomu
popisuje každý elektron v atomu čtyřmi kvantovými čísly:
1. Hlavním kvantovým číslem n, slupky K (n = 1); L (n = 2); M
(n = 3); N (n = 4); O (n = 5); P (n = 6)
2. Orbitálním kvantovým číslem l, kde l = 0, 1, 2, 3,... n – 1 (l
= 0  s, l = 1  p, l = 2  d,
l = 3  f)
3. Magnetickým kvantovým číslem m, kde m = 0, ±1, ±2, ....
±l (má tedy 2l+1 hodnot)
4. Spinovým kvantovým číslem ms, kde ms nabývá hodnotu
+1/2 pro jeden směr rotace nebo –1/2 pro druhý směr.
Elektronové dráhy - orbity
jádro atomu
orbit p
1s 2
2s 2
2p 6
3s 2
3p 6
4s 2
3d 10
4p 6
5s 2
4d 10
5p 6
6s 2
5d 10 4f 14
6p 6
orbit d
Orbitaly atomu bóru
http://ime.fme.vutbr.cz/files/Studijni%20opory/psp/Index.html
2. Vazby mezi atomy
Repulsive energy ER
Interatomic separation r
Net energy EN
Attractive energy EA
http://ime.fme.vut
br.cz/files/Studijn
i%20opory/nomd/
struktura%20hmo
ty.doc
Primární vazby
iontová vazba
kovalentní vazba
polární
kovová
vazba
kovalentní vazba
nepolární
Sekundární
vazby
Vodíkové
můstky
Van der Waalsova
vazba
Iontová vazba
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
iontová
vazba
Kovalentní vazba
kovalentní vazba
nepolární
kovalentní vazba
polární
4 – vaznost uhlíku C: 1s2 2s1 2p3
Kovová vazba
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
Valenční elektrony  elektronový plyn
Vodíkový můstek (vodíková vazba)
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
Vazba Van der Waalsova
nejslabší vazebné síly
např. vazba mezi vrstvami
kovalentně vázaných atomů
uhlíku v grafitu
Typy vazeb v různých materiálech
kovalentní
polovodiče
polymery
kovová
sekundární
(Van der Waalsova vazba)
kovy
iontová
keramika a skla
3. Krystalografie
Rozložení atomů v prostoru
a) Plyny
b) Kapaliny
c) pevné látky amorfní
(neuspořádané; sklo,
některé plasty)
d) pevné látky krystalické
(uspořádané; kovy,
keramika a některé
plasty)
Pozn,: některé pevné látky mohou být za jistých podmínek krystalické,
za jiných podmínek amorfní
Uspořádání atomů krystalických látek v prostoru

Základní představa o krystalových strukturách vychází z
principu „kulového uspořádání“. Goldschmidt a Laves
formulovali 3 principy:
 nejtěsnějšího uspořádání (spojnice a objem)
 symetrie
 interakce (vazby)

Uvedená pravidla platí především pro kovové a iontové
sloučeniny. Ostatní typy struktur vykazují menší či větší
odchylky od těchto principů.
Atomy v krystalové mřížce
Představa uspořádání atomů v rovinách
A: dokonalá mřížka (sc)
B: krystalová mřížka s
atomovými rovinami
C: schéma atomových
rovin
Mřížkové parametry

Geometrie buňky je úplně
definována šesti parametry:

úseky a, b, c, které buňka
vytíná na osách x, y, z

úhly , β, , které spolu
zmíněné osy svírají
Krystalografické soustavy
Trojklonná, triklinická
a  b  c , α  β    90°
Jednoklonná, monoklinická
a  b  c , α  β  90°  
Kosočtverečná, ortorombická
a  b  c , α  β    90°
Šesterečná, hexagonální
a  b  c , α  β  90°,   90°
(a1  a2  a3  c , α1  α2  α3  120°,   90°)
Čtverečná, tetragonální
a  b  c , α  β    90°
Klencová, romboedrická
a  b  c , α  β    90°
Krychlová, kubická
a  b  c , α  β    90°
Bravaisovy
mřížky
Kubická
a=b=c
  b    90
Cubic
Tetragonální
a =bc
  b    90
Tetragonal
Ortorombická
a bc
  b    90
Orthorhombic
Romboedrická
a=b=c
  b    90
Rhombohedral
Monoklinická
a bc
    90 b
Monoclicnic
Triklinická
a bc
  b   90
Triclinic
Šesterečná
a1 = a2 = a3  c
1  2  3  120;
  90
Hexagonal
Mřížka
prostá
simple
Mřížka
bazálně středěná
base centered
Mřížka
tělesově středěná
body centered
Mřížka
plošně středěná
face centered
Mřížka kubická
SC
Polonium,
Mn-
BCC
Fe-, Ti, V,
W, Cr, Mo,
Nb, Ta
FCC
Fe-, Cu,
Ni, Pb, Au,
Ag, Pt,
Intersticiální dutiny v mřížce BCC a FCC
Mřížka BCC
a) Oktaedrická dutina
b) tetraedrická dutina
a) Oktaedrická dutina
b) tetraedrická dutina
Mřížka FCC
Mřížka šesterečná těsně uspořádaná (HCP)
Příklady prvků s mřížkou HCP: Ti-, Zn, Mg, Be, Co
Příklad krystalové struktury keramiky
Nový supravodivý materiál na bázi keramiky (oxidu yttria, baria a mědi)
Příklad krystalové struktury polymeru
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning
Elementární buňka krystalického polyetylenu
Indexování krystalografických rovin a směrů
Aby bylo možné indexovat krystalografické roviny, tzn. určit Millerovy
indexy, je nutné zorientovat elementární buňku v souřadnicovém systému.
Millerovy indexy se dělí na:
1. Indexy krystalografických směrů
 jednoho konkrétního směru [uvw]
 souhrnu směrů jednoho typu <uvw>
2. Indexy krystalografických rovin
 jedné konkrétní roviny (hkl)
 souhrnu rovin jednoho typu {hkl}
Millerovy indexy směrů
Jak určíme Millerův index směru?
„Od souřadnic koncového bodu vyznačeného směru odečteme souřadnice
jeho počátku. Výsledek zapíšeme do
hranatých závorek bez oddělovacích
čárek.“
Př. A: [1,0,0] - [0,0,0] = [1 0 0]
Př. B: [1,1,1] - [0,0,0] = [1 1 1]
Pokud výsledek není celočíselný, převedeme ho na celá čísla.
Pokud je ve výsledku záporné číslo, znaménko se píše nad příslušnou číslici.
Př. C: [0,0,1] - [ ,1,0] = [-
-1 1]
= [1¯ 2¯ 2]
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
Příklady Millerových indexů směrů
Millerovy indexy souboru směrů
 Zapisují se do < > závorek
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
 Zahrnují všechny směry téhož typu, např.
další příklad:
[100] [010] …
………………
…… = <100>
Millerovy indexy rovin
Jak určíme Millerův index roviny?
 Určíme úseky, které rovina vytíná na osách x, y, z.
 Určíme převrácené hodnoty těchto úseků.
 Výsledek převedeme na nejmenší celá čísla a zapíšeme do ( ) závorek.
Příklad:
a
b
c
1. Vytnuté úseky
2
4
6
1/4
1/6
3
2
2. Převrácené hodnoty 1/2
3. Nejmenší celá čísla
4. Millerovy indexy
6
(632)
Millerovy indexy rovin
z
Příklad:
a
b
c
1. Vytnuté úseky
1
1

1/1
1/
1
0
2. Převrácené hodnoty 1/1
3. Nejmenší celá čísla
1
4. Millerovy indexy
c
y
b
a
(110)
x
Příklad:
a
b
c
1. Vytnuté úseky
1/2


2. Převrácené hodnoty
1/½
1/
1/
3a. Celá čísla
2
0
0
3b. Nejmenší celá čísla
1
0
0
4. Millerovy indexy
(110)
z
c
y
a
x
b
Příklady Millerových indexů rovin
soubor rovin: Zapisují se do { } závorek Zahrnují
všechny směry téhož typu
Millerovy indexy pro mřížku HCP
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
4. PORUCHY KRYSTALOVÉ MŘÍŽKY
Bodové poruchy
Čárové poruchy
Plošné poruchy
Prostorové poruchy
Bodové poruchy ( 0 D)
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning
a) Vakance
b) Intersticiální atom
c) Malý substituční atom
d) Velký substituční atom
(e)
e) Schottkyho porucha
(vakance + substituční atom)
(f)
f) Frenkelova porucha
(vakance + intersticiální atom)
Čárové poruchy – dislokace ( 1 D)
Dislokace = přesunutí atomových rovin
Kritéria rozdělení dislokací:
Tvar : hranová, šroubová, obecná (smíšená)
Velikost : neúplná, násobná
Orientace : kladná, záporná
Burgersův vektor hranové dislokace
S=C
Star = Cíl  uzavřená dislokační
smyčka  dokonalá mřížka
S  C
Star  Cíl  otevřenou dislokační
smyčku uzavírá Burgersův vektor „b“
 dislokace (v tomto případě hranová)
Dokonalá mřížka
Hranová dislokace
Mřížka je rozdělena a mezi roviny atomů
je vložena jedna atomová polorovina.
Čára, která tvoří spodní konec
poloroviny, se nazývá hranová dislokace
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning
Hranová dislokace
Dokonalá mřížka
Šroubová dislokace
Mřížka je rozdělena a posunuta o jednu
atomovou rovinu.
Čára, podle které je mřížka posunuta, se
nazývá šroubová dislokace.
(a)
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning
(b)
Šroubová dislokace
A: dokonalá mřížka
B: krystalová mřížka s C: zjednodušení mřížky D: hranová dislokace;
atomovými rovinami
do atomových rovin černé – Burgersův vektor,
modré – dislokační čára
E: šroubová dislokace
krystal SiC = jediná šroub. dislokace
Obecná dislokace
Smíšená dislokace
Hranová dislokace
Šroubová dislokace
Plošné poruchy - Vrstevné chyby (2 D)
Frankova smyčka
Prostorové poruchy (3 D)
a) Mezifázové rozhraní
b) Hranice zrna
a) Mezifázové rozhraní
a) koherentní
b) nekoherentní
c) semikoherentní
b) Hranice zrna
Zrno materiálu
 3D útvar
 Vznik z jednoho krystalizačního zárodku
 jedna orientace krystalové mřížky
 roste dokud nenarazí na sousední zrna s jinou orientací mřížky  hranice
Maloúhlová hranice zrna
Velkoúhlová hranice zrna
Pokračování příště