1

MATERIJALI I

I. dio: Uvod u strukturu materijala

Prof.dr.sc. Đurđica Španiček

Dr.sc. Lidija Ćurković, izv. prof.

Materijali I obuhvaćaju tri dijela:

I. Uvod u strukturu materijala,

II. Dijagrami stanja materijala,

III. Mehanička svojstva materijala.

2

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

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.

3

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

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.

4

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

5

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.

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).

EAZ

Za element oznake E:

6

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

7

12,01C

62s2 2p2

Ar - relativnaatomska masa

simbol elementa

broj skupine

broj periode

atomski broj (Z)

elektronskakonfiguracijavanjske ljuske

2

14

C ︶/12︵ mm A 12

a

ar =

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.

8

Spin elektrona može se protumačiti kao vrtnja elektrona oko vlastite osi.

paralelni položaj antiparalelni položaj

STANJE ELEKTRONA U ATOMU ODREĐENO JE S ČETIRI KVANTNA BROJA:

1. GLAVNI KVANTNI BROJ, n- opisuje ukupnu energiju elektrona (glavni energijski nivo ili ljuska). n je broj ljuske (K, L, M, N, O, P, Q); n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

2. SPOREDNI KVANTNI BROJ, l- podljuska (oznaka: s, p, d, f).

l određuje broj energijskih podnivoa u jednoj ljusci s glavnim kvantnim brojem n (vrijednosti od 0 do n-1) .

3. MAGNETSKI KVANTNI BROJ (ml) povezan je magnetskim momentom elektrona. Poprima cjelobrojne vrijednosti od –l do +l uključujući i 0 i određuje broj orbitala.

4. KVANTNI BROJ SPINA (ms) označuje vrtnju elektrona oko vlastite osi i može poprimiti vrijednosti od –1/2 i +1/2 (paralelan i antiparalelan položaj).

9

2 s2 2 p6

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

10

1s2

2s2

3s2

4s2

5s2

6s2

7s2

2p6

3p6

4p6

5p6

6p6

3d10

4d10

5d10

6d10

4f14

5f14

REDOSLIJED POPUNJAVANJA ORBITALA (pravilo dijagonale).

GLAVNI KVANTNI BROJ, n (broj ljuske)

1. K - ljuska 1 s2

SPOREDNI KVANTNI BROJ, l (oznaka podljuske )

2. L – ljuska 2 s2 2 p6

Hundovo pravilo-elektroni se razmještaju unutar degeneriranih orbitala tako da broj nesparenih elektrona s paralelnim spinovima bude maksimalan.

NE

DA

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

(-)

gubit

ak 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 VEZANASTAJE 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 (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.

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) DIPOLIδ+ δ-δ+ δ-

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 i kovalentne veze.

δ+ δ2- δ+ δ2-

17

SLAGANJE STRUKTURNIH JEDINICA

ČVRSTE TVARI

AMORFNEili

NEKRISTALNESTRUKTURE

KRISTALNESTRUKTURE

MONOKRISTALNI MATERIJALI

(pojedinačni kristal)

POLIKRISTALNI MATERIJALI

KRISTALNE STRUKTUREMONOKRISTALNI 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 (s); KAPLJEVITO (l) i PLINOVITO (g)

tekuće (kapljevito) (l)

19

ČVRSTO (KRUTO) (s)- zbog male međusobne udaljenosti čestica čvrstih tvari, privlačne sile su vrlo jake- čvrste tvari imaju STALAN OBLIK i STALAN VOLUMEN- nestlačive su

KAPLJEVITO (TEKUĆE) (l)- između čestica kapljevitih tvari udaljenost je veća, pa su privlačne sile slabije- čestice se relativno slobodno gibaju i lako mijenjaju svoj položaj- poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze - kapljevine NEMAJU STALAN OBLIK,

ali IMAJU STALAN VOLUMEN- nestlačive su

PLINOVITO (g)- udaljenost između čestica plinovitih tvari je velika, zbog toga su privlačne sile

zanemarive- volumen ovisi o tlaku i temperaturi. Plinovi NEMAJU NI STALAN OBLIK NI

STALAN VOLUMEN

AGREGATNA STANJA TVARI:ČVRSTO (s); KAPLJEVITO (l) i PLINOVITO (g)

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.

20

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, koji ponavljan u tri dimenzije daje cijelu kristalnu rešetku.

Jedinična Ponavljanje Ponavljanje duž osi y Ponavljanje duž osi xćelija duž osi z

Jedinična ćelija je temeljna “cigla” iz koje se slaganjem može izgraditi čitav kristal.

21

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 kristalne strukture mogu se prikazati u 14 vrsta jediničnih ćelija razvrstanih u 7 osnovnih kristalnih sustava.

a

b

cαβ

γ

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)

22

Kristalni sustav Jedinične ćelije

1. KUBIČNI ili TESERALNI

2. TETRAGONSKI

3. ROMPSKI ili ORTOROMPSKI

4. TRIGONSKI ili ROMBOEDARSKI

Kristalni sustavi i pripadajuće jedinične ćelije

5. MONOKLINSKI

6. TRIKLINSKI

7. HEKSAGONSKI

Kristalni sustav Jedinične ćelije

23

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.

24

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.

25

PBA = 2 KB = 8FGSA = 68 %Volumen slobodnog prostora: 100 %- 68 % = 32 %

34 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 1/81/8

1/81/8

PLOŠNO CENTRIRANA KUBIČNA (FCC – eng. face-centeredcubic) 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 kubične jedinične ćelije: položaj atoma u jediničnoj ćeliji.

26

2R 4 a =

PBA = 4KB = 12FGSA = 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

Ravnina najveće zaposjednutosti atomima u FCC strukturi: (111)

27

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°

Primjeri: Cd, Mg, Zn, Ti, Co

HEKSAGONSKI KRISTALNI SUSTAVJEDINIČNA 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.

28

PBA = 6KB = 12FGSA = 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.

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

29

OKTAEDARSKA PRAZNINA U FCC JEDINIČNOJ ĆELIJI

TETRAEDARSKA PRAZNINA U BCC JEDINIČNOJ ĆELIJI

z

x

y

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

30

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> .

31

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

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 KRISTALIIONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između većih aniona.

Polumjer pozitivnog iona, KATIONA, uvijek je MANJI od polumjera njegovog atoma, jer je broj elektronskih ljuski manji, a i broj protona je 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.

33

IONSKI KRISTALIIONSKI 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)

34

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 ćelijaNa+: u oktaedarskim prazninama

Istu kristalnu strukturu imaju: LiCl, MgO, CaO, MnO, FeO, CoO, NiO, itd.

Na+

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-Cl-

Cl-

KOVALENTNI KRISTALINpr. ZnS -kovalentna veza dominira.

rkationa = r (Zn2+) = 0,06 nm

raniona = r (S2-) = 0,184 nm

rkationa/raniona = 0,33

KB = 4S2-: 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+

35

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 , ............

SiO

O

O

O4-

KOVALENTNI KRISTALI

SILIKATNA STRUKTURA - osnova 44SiO −

36

KOVALENTNI KRISTALI

KRISTALNA STRUKTURA KRISTOBALITA

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

AMORFNA STRUKTURA – struktura staklaNajveći dio svjetske proizvodnje stakla čine silikatna stakla, osnovna komponenta kod ilikatnog stakla je SiO2, a strukturna jedinica je tetraedar.4

4SiO −

37

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.

38

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.

CH 2=CH → ( -CH 2-CH - )nCH 2=CH → ( -CH 2-CH - )nn

39

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 OVISI O:

1. VRSTI VEZA IZMEĐU MAKROMOLEKULA

2. SLAGANJU MAKROMOLEKULA

40

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.

41

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 (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 pojam POLIMORFIJA rabi za spojeve.

42

ALOTROPSKE modifikacije C

DIJAMANT

FULEREN, C60, Buckminsterfulleren

GRAFIT

43

Nesavršenosti kristalne građeDifuzijaLegure, 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)

44

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 namjestima 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

45

Jednodimenzijske ili linijske nesavršenosti:- bridna dislokacija- vijčana dislokacija

Jednodimenzijske nesavršenosti: BRIDNA DISLOKACIJA

U kristalnoj strukturi postoji jedna dodatna(umetnuta) ravnina kojase ne proteže kroz cijelikristal nego završavanegdje u unutrašnjosti .

oznaka bridne dislokacije

Veličina i smjer sklizanja koji proizlazi iz kretanja pojedinačne dislokacije određeni su BURGERSOVIM VEKTOROM , b.

b

46

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.

Veličina i smjer sklizanja koji proizlazi iz kretanja pojedinačne dislokacije određeni su BURGERSOVIM VEKTOROM , b.

47

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:

48

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

49

Granica zrna Kristalno zrno

Velikokutne granice zrna

Malokutne granice zrna

Granice dvojnika

Trodimenzijske nesavršenosti:

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

50

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)

51

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 brojilism

mol ilism

kgJ 222=

52

STRUKTURA LEGURA ili slitinaLegura 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 SPOJA3. KRISTALI KEMIJSKOG SPOJA4. 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)

53

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 γ−Fe

atomi topitelja (Fe)atomi otopljenog elementa (C)

54

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

55

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).

Ista kristalna struktura, razlika u elektronegativnosti nije prevelika, ali je prevelika ΔR, %.

%93,361000,1278

0,1278-0,175 100(Cu) R

(Cu) R- (Pb) R Cu)-(Pb ΔR −=×=×=

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