1

16/10/2017 Copyright: Prof. dr. sc. Lidija Ćurković

MATERIJALI I

Prof. dr. sc. Lidija Ćurković

MATERIJALI I (SATNICA: 2+1)

PREDAVANJA (2 školska sata): ponedjeljak, 16:15-18:00 (A dvorana);

utorak, 8-10 (B dvorana); utorak, 10-12; utorak (A dvorana):

četvrtak, 12:15-14:00 (dvorana A)

POČETAK VJEŽBI:

U TJEDNU OD 16.10.-20.10.2017. PREMA RASPOREDU KOJI ĆE

BITI NA OGLASNIM PLOČAMA I WEB STRANICI Zavoda za materijale:

www.fsb.unizg.hr/materijali

web stranici e-kolegija: www.fsb.unizg.hr/materijali1Vježbe se mogu pohađati isključivo u predviđenim terminima za dodijeljenu grupu.Samo u iznimnim slučajevima (bolest ili slično) nadoknadu s nekom drugom grupommože odobriti referentice Zavoda za materijale (Ivana Lučića 1, I kat):gđa. Danica Rožman (sjeverna zgrada).

Referent Zavoda za materijale (Ivana Lučića 1, I kat):gđa. Danica Rožman

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/materijaliWeb stranici e-kolegija: www.fsb.unizg.hr/materijali1

2

Predviđeni termini za kolokvije, grupe studenata koji imaju predavanja:

ponedjeljkom utorkom četvrtkom

1. kolokvij: 13.11.2017. 14.11.2017. 16.11.2017.

2. kolokvij: 11.12.2017. 12.12.2017. 14.12.2017.

3. kolokvij: 15.01.2018. 16.01.2018. 18.01.2018.

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, FSB,

Zagreb, 2012.

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.

Materijali I obuhvaćaju tri dijela:

I. Uvod u strukturu materijala

II. Dijagrami stanja materijala

III. Mehanička svojstva materijala

3

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 tehničkiproizvodi, a posjeduju kombinaciju povoljnih fizikalno-kemijskih svojstavakoja nazivamo tehničkim svojstvima.

TVAR koja posjeduje tehnička svojstva mora ispuniti još dva preduvjeta dapostane TEHNIČKI MATERIJAL:

- mora se moći PRERAĐIVAT- mora bit pristupačna CIJENOM.

I. UVOD U STRUKTURU MATERIJALA

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 postiževariranjem SASTAVA i STRUKTURE.

OSNOVNE GRUPE TEHNIČKIH MATERIJALA

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.

4

OSNOVNE GRUPE TEHNIČKIH MATERIJALA3. KERAMIKA I STAKLA

Neka svojstva keramike i stakla: tvrdi i krhki, izolatori, otporni pri povišenenim temperaturama.

4. KOMPOZITIKompoziti su složeni materijali sastavljeni od najmanje dviju komponenti iz prethodne tri grupe.

MATERIJALI u svakoj grupi imaju RAZLIČITU STRUKTURU I SVOJSTVA.

STRUKTURA ↔ SVOJSTVA

Materijali korišteni za zrakoplov Boeing 787 Dreamliner

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.

5

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.

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.

6

12,01C

62s2 2p2

Ar - relativna atomska masa

simbol elementa

broj skupine

broj periode

atomski broj (Z)– broj elektrona

elektronska konfiguracija vanjske ljuske

2

14

C

)/1

2

( mm A 1

2a

ar =

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.

7

VALENCIJA je svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s određenimbrojem atoma drugog elementa.

ATOMI SE MEĐUSOBNO SPAJAJU ZATO ŠTO ČINEENERGIJSKI STABILNIJI SUSTAV.

Elektronegativnost je svojstvo atoma da privuče na svoju stranuelektronski oblak nastao stvaranjem kemijske veze.

ATOMI se mogu spajat međusobnim djelovanjem svojih VALENTNIHELEKTRONA.

ŠTO DRŽI ATOME ZAJEDNO?

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

8

IONSKA VEZA- nastaje spajanjem ATOMA METALA s ATOMIMA NEMETALA.

Kako nastaju ioni?

neutralniatom

kation(+)

anion(-)

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.

12

3

45

6

7

8

1 2

3

4

56

7

8

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 njegovogatoma, jer jezgra slabije privlači veći broj elektrona.

9

KOVALENTNA VEZA

NASTAJE PRI SPAJANJU ATOMA NEMETALA (diobom valentnih elektroneizmeđu atoma, stvaranjem zajedničkog elektronskog para ili više).

JEDNOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

KOVALENTNA VEZA

JEDNOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

KOVALENTNA VEZA

+

DVOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

TROSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

10

METALNA VEZA

ELEKTRONSKI PLIN (slobodni valentni elektroni)

POZITIVNI METALNI IONI (jezgra + unutarnji elektroni)

VEZE IZMEĐU ATOMA (PRIMARNE ili KEMIJSKE VEZE):

VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):

- nastaju uslijed POLARIZACIJE molekule.

- mjera za POLARNOST MOLEKULE je DIPOLNI MOMENT (µ).

µ = q · a (umnožak električnog naboja i udaljenosti razmaka između pozitivnog i negativnog naboja)

-q +qµ

a

POLARNOST je posljedica razlike u ELEKTRONEGATIVNOSTI elemenata koji su povezani, ali i OBLIKA (GRAĐE) molekule.

Elektronegativnost je svojstvo atoma da privuče na svoju stranuelektronski oblak nastao stvaranjem kemijske veze.

11

VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):

1. Van der Waalsova veza:

A) STALNI (permanentni) DIPOLI

Jaka kovalentna veza

Slaba veza između molekula –

Van der Waalsova veza

VEZE IZMEĐU MOLEKULA (SEKUNDARNE ili FIZIKALNE):

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

δ+ δ- δ+ δ-

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 ikovalentne veze.

δ+ δ2- δ+ δ2-

12

SLAGANJE STRUKTURNIH JEDINICA

ČVRSTE TVARI

AMORFNEili

NEKRISTALNESTRUKTURE

KRISTALNESTRUKTURE

MONOKRISTALNI MATERIJALI

(pojedinačni kristal)

POLIKRISTALNI MATERIJALI

DVODIMENZIONALNI PRIKAZ SLAGANJA ATOMAZRNA GRANICA ZRNA

MONOKRISTAL POLIKRISTAL AMORFNO

DIJAMANT-MONOKRISTAL (shematski prikaz)

MONOKRISTAL CaF2

KRISTALNE STRUKTURE

MONOKRISTALNI MATERIJALI(npr. monokristal Si za izradu čipova,turbinske lopatice napravljene su odmonokristala super legura na baziNi).

POLIKRISTALNI MATERIJALI

GRANICE ZRNA

ZRNAturbinske lopatice

monokristal Si (silicij)

13

Tri diska načinjena od istog materijala, aluminijevog oksida

MONOKRISTAL

POLIKRISTALNI MATERIJAL,

mala poroznost

POLIKRISTALNI MATERIJAL,

velika poroznost

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)

14

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

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, kojiponavljan 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.

15

KRISTALNI SUSTAV

Kristalni sustav se opisuje:

- kristalnim osima: x, y, z- parametrima po kristalnim osima: a, b, c- kutovima između kristalnih osi: α, β, γ.

Prema odnosu veličina parametara a,b, c i kutovima α, β i γ sve kristalnestrukture mogu se prikazati u 14vrsta jediničnih ćelija razvrstanih u 7osnovnih kristalnih sustava.

a

b

c

αβγ

x

y

z

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

16

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)

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: α, β, γ.

17

KUBIČNI KRISTALNI SUSTAV

Karakteristike:Kristalografske osi: x, y i zKutovi: α = β = γ = 90o.Parametri po kristalografskim osima: a = b = c

Tri jedinične ćelije: • jednostavna (SC)• prostorno centrirana (BCC)• plošno centrirana (FCC).

z

x

yaa

a

PROSTORNO CENTRIRANA KUBIČNA (BCC - eng. body-centered cubic) jedinična ćelija.

Primjeri: Cr, Mo, W, α - Fe , Nb, V, Na, K

Model prostorno centrirane kubične jedinične ćelije: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.

Model prostorno centrirane kubičnejedinične ćelije: položaj atoma ujediničnoj ćeliji.

18

PBA = 2; KB = 8

FGSA = 68 %

Volumen slobodnog prostora: 100 %- 68 % = 32 %

3

4 Ra =

Model prostorno centrirane kubičnejedinične ćelije: atomi koji pripadajujednoj jediničnoj ćeliji.

Prikaz određivanja koordinacijskogbroja za BCC jediničnu ćeliju

1

2 3

4

5 6

7

1

1/8 1/8

1/8 1/81/8

1/81/8

8

a

atoma) (jednog V PBA

ćelije) jed. ( V

ćeliji) jed.u (atoma V FGSA

3

×==

% 68 100

3

R 4

R 34

2 3

3

=×

×

=

π

PLOŠNO CENTRIRANA KUBIČNA (FCC – eng. face-centered cubic) jedinična ćelija

Primjeri: Al, Cu, Ag, Au, γ-Fe, Pb, Ni, Pt

Model plošno centrirane kubične jedinične ćelije: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.

PLOŠNO CENTRIRANA KUBIČNA (FCC – eng. face-centered cubic) jedinična ćelija

Primjeri: Al, Cu, Ag, Au, γ-Fe, Pb, Ni, Pt

Model plošno centrirane kubične jedinične ćelije: stvarni položaj atoma u prostornoj rešetki.

Model plošno centrirane kubičnejedinične ćelije: položaj atoma ujediničnoj ćeliji.

19

2

R 4 a =

PBA = 4

KB = 12

FGSA = 74 %Volumen slobodnog prostora: 100 %- 74 % =26 %

Model plošno centrirane kubičnejedinične ćelije: atomi kojipripadaju 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

a

atoma) (jednog V PBA

ćelije) jed. ( V

ćeliji) jed.u (atoma V FGSA 3

×==

% 74 100

2

R 4

R 3

4 4

3

3

=×

×

=

π

Ravnina najveće zaposjednutosti atomima u FCC strukturi: (111)

Karakteristike: kristalografske osi: x1, x2, x3 i zKutovi: α = β = 90o, γ = 120o

Parametri po kristalografskim osima: a1 = a2 = a3 ≠ c

HEKSAGONSKI KRISTALNI SUSTAV

x1

x2

x3

z

120°

aa

c

a

90°

20

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 R; c = 1,633 a

JEDINIČNA ĆELIJA GUSTO SLAGANE HEKSAGONSKE KRISTALNE REŠETKE (HCP – eng. hexagonal close packed).

Model jedinične ćelije gusto slaganeheksagonske kristalne rešetke: položajatoma 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

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

21

OKTAEDARSKA PRAZNINA U FCC JEDINIČNOJ ĆELIJI

TETRAEDARSKA PRAZNINA U BCC JEDINIČNOJ ĆELIJI

z

x

y

Položaj intersticijskih mjesta (praznina) u FCC, BCC i HCP jediničnoj ćeliji:

Oktaedarska FCC

Oktaedarska BCC

Tetraedarska FCC

Tetraedarska BCC

Oktaedarska HCP

Tetraedarska HCP

Tetraedarska praznina > oktaedarske Oktaedarska praznina > tetraedarske

Tetraedarska praznina

Tetraedarska praznina

Oktaedarska praznina Oktaedarska praznina

22

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 izmeđuvećih aniona.

IONSKI KRISTALI

IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine izmeđuvećih 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)

23

rK/rA rK/rA rK/rA

nestabilno stabilno stabilno

ZA STABILNU KORDINACIJU KATIONI I ANIONI MORAJU BITI UKONTAKTU!

IONSKI KRISTALI

rK/rA >1,000 KB = 12 (kuboktaedarska praznia)

0,732 < rK/rA < 1,000 KB = 8 (kubična praznia)

IONSKI KRISTALI

Kristalna rešetka tipa NaCl – (radi se o dvije isprepletene plošnocentrirane 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+

24

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

O4-

KOVALENTNI KRISTALI

SILIKATNA STRUKTURA - osnova 44SiO −

KOVALENTNI KRISTALI

KRISTALNA STRUKTURA KRISTOBALITA

SiO2 može imati KRISTALNU STRUKTURU (npr. kvarc, kristobalit) ili AMORFNU STRUKTURU (npr. staklo)

25

AMORFNA STRUKTURA – struktura stakla

Najveći dio svjetske proizvodnje stakla čine silikatna stakla, osnovna komponenta kodsilikatnog stakla je SiO2, a strukturna jedinica je tetraedar.4

4SiO −

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

POLI MER

puno ponavljana jedinica

26

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 različitekonstitucije 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.

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

n CH2=CH-CH=CH2 → (-CH2-CH=CH-CH2-)n

butadien polibutadien

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

27

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

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.

28

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.

SLAGANJE STRUKTURNIH JEDINICA (makromolekula)

Stupanj kristaliničnosti:

5 % - 96 %

PE (polietilen)

POLIMORFIJA ili ALOTROPIJAPOLIMORFIJA ili ALOTRPIJA je pojava da se neka tvar javlja u DVA iliVIŠE STRUKTURNIH OBLIKA pri promjeni vanjskih uvjeta (tlak,temperatura).

ALOTROPSKE modifikacije Fe:do 911 oC BCC (α-Fe)

911 – 1394 oC FCC (γ-Fe)

1394 oC iz FCC u BCC (δ-Fe)

POLIMORFNE modifikacije SiO2 :

KREMEN, KVARC870 oC

TRIDIMIT1470 oC

KRISTOBALIT

Pojam ALOTROPIJA se rabi za elemente, dok se pojamPOLIMORFIJA rabi za spojeve.

29

NEKE OD ALOTROPSKIH MODIFIKACIJA UGLJIKA (C)

DIJAMANT ( tvrd,

ele. izolator, topl. vodič)

GRAFIT ( mekan, ele. vodič, topl. izolator)

DIJAMANT

NEKE OD ALOTROPSKIH MODIFIKACIJA UGLJIKA (C)

FULEREN, C60, Buckminsterfulleren

fuleren C70fuleren C540

NEKE OD MODIFIKACIJA UGLJIKA

LONSDALIT

BUCKYPAPER

30

NEKE OD MODIFIKACIJA UGLJIKA

UGLJENIČNE NANOCIJEVI

AMORFNI UGLJENIK

(aktivni ugljen, ugljen, koks, čađa)

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

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/miller_indices/lattice_draw.php

4 kilzne ravnine x 3 klizna pravca = 12 kliznih sustava

Ravnine najveće zaposjednutosti atomima u FCC strukturi su {111}, najgušće slagani pravce su <110> .

31

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> .

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.

32

�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)

Nuldimenzijske ili točkaste nesavršenosti:

- praznine (vakancije)

- supstitucijski (zamjenski) atom

- intersticijski (uključinski) atom

Praznina ili vakancijaVeći supstitucijski

(zamjenski) strani atom

Intersticijski (uključinski) strani atom

33

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

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

34

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.

Jednodimenzijske nesavršenosti: VIJČANA DISLOKACIJA

- u dijelu kristala ravnine su pomaknute jedna u odnosu na drugu.

Nema dodatne kristalne ravnine.

Oznaka za vijčanu dislokaciju:

35

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

Granica zrna Kristalno zrno

Velikokutne granice zrna

Malokutne granice zrna

Granice dvojnika

ZRNA GRANICA ZRNA

36

Trodimenzijske nesavršenosti:

- to nisu nesavršenosti kristala već su pogreške materijala: pore, uključine....

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)

37

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 kojeprolaze 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):

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=

STRUKTURA LEGURA ili slitina

Legura je tvar koju čine dva ili više kemijskih elemenata, od kojih jebarem jedan kemijski elemenat METAL, a drugi mogu biti METAL(I) i/ ili NEMETAL (I).

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

38

Elementi tvore zajedničku kristalnu rešetku (sačuvana je rešetkajednog od njih).

Uvjeti za nastajanje kristala mješanaca:

- faktor veličine atoma ,

- faktor elektronegativnosti,

- faktor valencije ,

- kristalna struktura .

1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)

1. KRISTALI MJEŠANCI (primarne ČVRSTE OTOPINE)• supstitucijski ili zamjenski Primjeri: - Cu-Ni legure;

- Cu-Zn legure (mjedi): 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 γ−Fe

atomi topitelja (Fe)

atomi otopljenog elementa (C)

39

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

4. KRISTALE SMJESE

• dvije komponente potpuno netopljive jedna u drugoj.Primjer: legure Cu i Pb (oba metala imaju FCC rešetku, ali je prevelikarazlika 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 ∆R −=×=×=