Fyzika
pevných látek vysvětluje makroskopické vlastnosti pevných látek na základě
jejich kvantově mechanického modelu jako souboru velkého množství částic, a to
molekul, atomů, iontů a elektronů, které pevné látky vytvářejí.
Základní skupenství
látek pevných :
tuhé, kapalné, plynné a plazmatické.
Tuhé látky dělíme do dvou skupin:
1. Krystalické látky se stálým pravidelně organizovaným vnitřním
uspřádáním svých základních strukturních částic (atomů, molekul, iontů ..),
které vytvářejí makroskopické částice - krystaly.
2. Amorfní látky, jejichž vnitřní uspořádání je sice stálé, ale
nepravidelné a nahodilé. Strukturně se amorfní látky podobají kapalinám, v
nichž náhle ustaly tepelné pohyby částic. Proto jsou někdy posuzovány jako
podchlazené kapaliny s extrémně velkou viskozitou.
Krystal – pevné těleso se zákonitou vnitřní stavbou, jejímž
odrazem je zevní tvar tělesa. Krystal je pevné těleso s trojrozměrně
periodickým rozmístěním základních stavebních částic (atomů, iontů, molekul).
Typickými představiteli krystalických látek jsou kovy :
· z period. soustavy prvků ¾ jsou kovy –
zbytek nekovy
· veškeré kovy (s vyjímkou Hg rtuti) jsou za
normální teploty krystalické a vyznačují se vysokou elektrickou a tepelnou
vodivostí – odlišnost od nekovů.
Krystalová buňka kovu
je nejmenší úsek krystal. mřížky, na němž je možné prokázat všechny zákonitosti
mřížky a jehož periodickým opakováním daná mřížka vzniká. Rozměry krystalových
buněk jsou jsou charakterizovány tzv. mřížkovými parametry-mřížková konstanta
(nejkratší vzdálenost atomů v daných směrech) -a, b, c. K specifikaci
uspořádání atomů ve struktuře se obvykle udávají jejich souřadnice - a, b, g, vzhledem k systému souřadných
(krystalografických) os, tak že počátek leží v některém z uzlových bodů
prostorové mřížky.
Krystalové osy:
Typy krystalových
strukturních mřížek
V kryst. látkách-kovech jsou atomy rozloženy v prostoru
pravidelně podle určitého geometr. pořádku a vytvářejí krystalovou mřížku.
Podle úhlů os a poměrných délek úseků na osách je možno zařadit každou krystal.
mřížku do jedné ze 14 prostor. mřížek (Bravaisovy), které vznikají dalším
členěním uvnitř 7 zákl. soustav :
trojklonná,
jednoklonná, kosočtverečná, čtverečná, šesterečná, klencová, krychlová
Krystaly kovů se
vyznačují tím, že atomy se uspořádávají v prostoru vesměs těsně, takže se
vzájemně dotýkají. Takové uspořádání umožňují je prostorové mřížky s vysokou
souměrností, mezi něž patří především krychlová plošně nebo prostorově středěná
mřížka a šesterečná těsně uspořádaná mřížka.
Geometrie krystalů
a/ jednoduchá(prostá, primitivní) – na elementární buňku připadá 1 částice
(atom), v každém rohu elementární buňky je 1 atom, který je společný vždy
osmi buňkám.
b/ bazálně středěná – elementární buňka má 1 atom v každém rohu a
navíc po 1 atomu ve středu spodní a horní základny, tzn., že na elementární
buňku připadají 2 atomy
c/ prostorově středěná – má po 1 atomu v rozích elementární buňky a 1
atom v jejím středu, tzn., že na elementární buňku připadají 2 atomy
d/ plošně středěná – má v elementární buňce po 1 atomu
v každém rohu a po 1 atomu uprostřed každé stěny, na elementární buňku
tedy připadají 4 atomy.
Technické kovy
krystalizují ve 3 ze 14 krystalografických mřížek
- dvou
krychlových (kubických) - prostorově a plošně centrované a šesterečné (hexagonální).
V literatuře se používá několika
ekvivalentních označení :
bcc
(body centred
cubic) = kubická stereocentrická = krychlová tělově středěná = kubická
prostorově středěná - Feα, Cr, Mo, W,
Na
fcc
(face centred
cubic) = kubická planicentrická = krychlová plošně středěná = kubická plošně
středěná - Feγ, Al, Cu, Pb, Au, Ag, Ni
hcp (hexagonal closed packed) = hexagonální -
šesterečná těsně uspořádaná - Zn,
Ti, Be, Mg, Cd
Železo
je polymorfní kov – vyskytuje se za normálního tlaku ve třech modifikacích α , g a d
Železo α - je nízkoteplotní modifikace, má mřížku kubickou prostorově
centrovanou – vrcholy krychle a střed krychle (9 bodů)
železo g - je prvně překrystalizováno při teplotě asi 910°C a má mřížku kubickou
plošně centrovanou – vrcholy krychle a středy stěn (14 bodů).
železo δ - při vyšších teplotách dojde k další
překrystalizaci a mřížka je opět stereocentrická; od nízkoteplotní
modifikace se liší větším mřížkovým parametrem.
Feα Feγ
Při studiu dějů probíhajících v kovech (fázové přeměny, plastická
deformace, krystalizace, apod.) je nutno jednoznačně charakterizovat
v krystalové buňce nebo mřížce určitou krystalografickou rovinu nebo směr.
K tomu se používají tzv. Millerovy indexy (h k l).
Nedokonalosti skutečné mřížky
V pravidelném uspořádání atomů
v prostoru totiž vzniká během krystalizace kovu, při jeho chladnutí, či
v průběhu jeho dalšího technol. zpracování řada nedokonalostí, které
nazýváme souborně „mřížkové vady“. Pro vytvořené vady (porušení pravidelnosti
mřížky) je potřeba určitého množství energie. Skutečný krystal obsahující mřížkové
vady má tedy vyšší vnitřní energii než dokonalý ideální krystal.
Poruchy : -
krátkodobé-trvání<ms(kvazičástice
- excitony, fonony,..
- hlavním
zdrojem narušení přísně periodické výstavby krystalu jsou vlastní tepelné kmity
krystalové mřížky. Protože jsou atomy v mřížce navzájem pevně vázány, nemohou
se navzájem nezávisle pohybovat, tj. nemohou vykonávat navzájem nezávislé kmitavé
pohyby. Vzhledem k vazbám se proto kmity všech atomů v krystalové mřížce šíří,
odrážejí se a navzájem superponují, takže vzniká jejich stojaté vlnění. Proto
hovoříme o kmitech celé mřížky, které jsou projevem tepelného pohybu jejích
členů
- statické(bodové - místa v krystalové
mřížce, které vzniknou tím, že atom, ion, opustí své místo v mřížce a stane se
intersticiálním ato-mem, iontem je v mezimřížkovém
prostoru, v mezimřížkové poloze, čárové,
plošné, objemové)
Porucha – odchylka od ideální periodické krystalové struktury (odchylky od
pravidelného geometrického uspořádání atomů v uzlových bodech krystalické
mřížky).
Dle geometrického tvaru lze
poruchy dělit:
1.Bodové poruchy:
-vakance
-intersticiály
2.Čarové poruchy:
dislokace (hranové,
šroubové)
3.Plošné poruchy(dvojrozměrné):
4.Prostorové poruchy (trojrozměrné):
-vrstevné chyby
-hranice bloků
-hranice zrn
-monokrystaly a
polykrystaly
1 Bodové poruchy
Vakance (neobsazený uzel-
chybí atom) není
vázaný na jedno místo, ale může se (např. vlivem teploty pohybovat krystalem –
migrace vakancí
Intersticiální atom - atom je
uložen mimo vlastní polohu(i cizí atom) - byla dodána dostatečná energie na vytržení částice
z uzlového bodu a umístěna do intersticiální polohy. Původní uzel zůstal
neobsazen a současně vznikla vakance.
Substituční atom
– atom dané látky je nahrazen cizím atomem (příměsových prvků umístěné
v uzlovém bodě mřížky, kde nahrazují základní mřížkový atom)
Frenkelova porucha – komplex vakance a intersticiální částice
v sousední poloze
Schottkyho porucha – v iontovém krystalu jde o chybějící
dvojici kationu a sousedního aniontu (atom z vnitřní polohy na povrch)
Druhy bodových poruch: a – vakance, b – vlastní intersticiál, c –
intersticiál příměsi, d – substituční
atom příměsi.
Vznik vakancí:
-
zahřátí
na vysoké teploty(cca o 100°C nižší než teplota tání) a prudké ochlazení na
velmi nízkou teplotu
-
ozáření
kovu částicemi o vysokých energiích
-
plastická
deformace-bodové poruchy se vytvoří díky pohybu dislokací
Rovnovážná koncentrace bodových poruch je
tepelně závislá dle :
BODOVÉ PORUCHY MAJÍ ZNAČNÝ VLIV NA FYZIKÁLNÍ I MECH.
VLASTNOSTI.
2. Čarové poruchy mřížky -
dislokace definujeme jako místní nedokonalosti mřížky způsobené vysunutím atomů
z pravidelných poloh v krystalové mřížce. Rozeznáváme dva druhy
dislokací - hranové a šroubové.
Dislokační teorie skluzu předpokládá , že
skluz neprobíhá rovinou skluzu současně jako posun dvou tuhých celků, ale že
skluz se rovinou skluzu postupně šíří. Čelo šířícího skluzu představuje určitou
čárovou poruchu – dislokaci.
Hranová dislokace je charakterizována
existencí nadbytečné poloroviny atomů buď nad nebo pod skluzovou rovinou, čímž
v daném bodě k deformaci mřížky. Vklíněná polorovina (krystal se vůči deformaci chová
nejdříve elasticky, od určité hodnoty napětí se deformuje nevratně –
plasticky). Vrstvy atomů se posune o celou mřížkovou translaci. Leží-li
nadbytečná polorovina nad skluzovou rovinou-kladná hranová dislokace (^), opačně záporná hranová
dislokac(┬). Dislokace stejné parity se odpuzují - opačné přitahují (spojením +
a – hranové dislokace dojde k likvidaci dislokací a vzniká nedeformovaná
krystalografická mřížka.
Průmět nadbytečné polorovinydo rovinu skluzu-
dislokační čára. Nejdůležitější vlastností dislokace je Burgersův vektor,
charakterizující směr a velikost posunu atomů ze základních poloh
v důsledku existence dislokace - b a je to vektor nutný k tomu, aby byla
uzavřena Burgersova smyčka vedená kolem hranové dislokace.
Pro hranovou
dislokaci je typické Burgersův vektor je kolmý k dislokační čáře. Má-li dojít
k pohybu dislokace-musí B.v. i dislok. čára ležet v rovině,
v níž má ke skluzu dojít.
Šroubová dislokace (b ïï) – zárodek roste ve všech směrech stejně rychle
(šroubový chod). Vznik je možno si představit tak, že krystal rozřízneme a
jednu část krystalu posuneme podle roviny řezu. Jestli je šroubová dislokace ve
směru hodinových ručiček označujeme ji pravotočivou a opak levotočivou.
3.Plošné poruchy – v porovnání s předešlými poruchami představují plošné poruchy složitější porušení krystalové mřížky, které zasahuje větší objem kovu.
Vrstvené chyby – krystal kovu je složen z jednotlivých
atomových rovin, kterése na sebe vrství v určitém pořadí a jsou na sebe
vázány vazebnými silami. Vrstvenou chybou rozumíme poruchu, kdy je tato
pravidelnost v uspořádání jednotlivých atomvých rovin porušna. Vznikají :
-
skluzem
některé roviny
-
vyjmutím
jedné roviny
-
oddálením
horní části krystalu a vložením další vrstvy
Hranice podzrn(bloků) – krystaly nemají v celém svém objemu
stejnoui orientaci mřížek, ale skládají se z malých objemů(bloků), které
jsou vůči sobě natočené o malé úhly.Vznikají rovnoměrným nakupením hranových
dislokací, jež jsou vloženy mezi sousední podzrna (bloky).
Hranice zrn –hranice s velkými úhly-velkoúhlé. Mají vysokou
koncentraci bodových a čarových poruch, tzn. oblastí s výrazným porušením
pravidelnosti krystalické stavby. Mechanické a chemické vlastnosti hranic zrn
jsou odlišné od vlastností samotných zrn. Při plastické deformaci jsou hranice
zrn výraznými překážkami pohubu dislokací- změna mechanických vlastností. Při
krystalizaci jsou přednostními místy vzniku zárodku.
Monokrystaly a polokrystaly – rozdělení
mřížkových poruch v objemu nebývá stejnosměrná. Orientace mřížky u
technických kovů a slitin nebývá v celém objemu jednotná. V jejich
objemu lze vymezit oblasti, které mají rozdílnou orientaci mřížky. Kov je
složen z většího počtu drobných krystalů, které jsou navzájem spojeny -
zrna. Kov složený z určitého počtu zrn je polokrystal. Když je orientace
mřížky v celém kusu jednotná – monokrystal.
Žádné komentáře:
Okomentovat