Почему металлы ковкие и пластичные?

Проведем сравнение с керамикой, которая, подобно тому как металлы обычно пластичны, обычно хрупка.

Во-первых, обратите внимание, что кристаллы (а металлы и керамика обычно являются поликристаллическими) могут деформироваться за счет движения дислокаций. Дислокация — линейный дефект, несущий пластичность через кристалл. Классическая аналогия — сдвинуть ковер, разгладив складку по его длине. Вам не нужно деформировать весь кристалл сразу; вам просто нужно провести одну (или несколько) дислокаций через материал, разрывая относительно небольшое количество связей за раз.

Вот простая иллюстрация искривленной дислокации, переносящей сдвиг через кристалл; прохождение дислокации оставляет новую постоянную ступеньку:

Так что это очень удобный способ добиться остаточной деформации. Однако разорвать эти связи в металлах намного легче, чем в керамике, потому что металлические связи в первых слабее, чем ионно-ковалентные связи во вторых (о чем свидетельствует тот факт, что керамика, как правило, тугоплавкая, т. е. обладает высокой температурой плавления). температуры). В частности, делокализованная природа электронов в металлах позволяет легко проскальзывать дислокациям . Это соответствует пластичности/податливости. (Два термина идентичны для данного обсуждения; они отличаются только типом условий нагружения, которые приводят к легкой деформации.)

Кроме того, в металлах с гранецентрированной кубической кристаллической структурой (например, в золоте или меди) структурная симметрия обеспечивает множество возможных плоскостей скольжения , вдоль которых могут легко распространяться дислокации. Это соответствует еще большей пластичности/пластичности.

Вот иллюстрация гранецентрированной кубической структуры; плотная упаковка атомов в нескольких плоскостях позволяет дислокациям прыгать только на короткие расстояния, что значительно облегчает их прохождение:

Напротив, в керамике движение дислокаций настолько сильно затруднено (поскольку связи являются направленными, а заряды жестко фиксированы), что может потребоваться меньше энергии, чтобы просто разорвать все связи сразу, что соответствует объемному разрушению и хрупкости.

Одним из следствий этих микроскопических различий между металлами и керамикой является то, как они реагируют на трещины или дефекты. Острая трещина создает концентрацию напряжения, главным образом потому, что поле напряжения должно резко закручиваться вокруг нее. В металле такая концентрация напряжений не представляет большой проблемы — некоторые дислокации будут перемещаться, что приведет к пластической деформации и затуплению вершины трещины. Этот вариант гораздо менее вероятен в керамике из-за препятствий движению дислокаций. Возможно, будет проще навсегда разорвать связи и сформировать новую открытую поверхность в области, ранее подвергавшейся высоким нагрузкам. Это механизм распространения трещины, и если трещина продолжает распространяться, вы получаете объемное разрушение.

Металлы податливы и пластичны из-за металлической связи. Металлическая связь отличается от ионной и ковалентной связи. Металлическая связь - это особый тип связи. Металлические связи описываются современной теорией связей путем применения уравнения Шредингера к каждому атому и сближения атомов, чтобы сформировать столько волновых функций, сколько атомов. Существуют связи и антисвязные волновые образования, описывающие возможные волновые функции. Все они образуют возможные энергии зон. Связи внутри кристаллической структуры удерживают структуру вместе только в том случае, если среднее энергетическое состояние связи ниже, чем у изолированных состояний. У металлов средняя энергетическая структура связи ниже, чем у изолированных атомов. Необходимо знать уровень Ферми, чтобы понять, что происходит рядом с валентными электронами внутри металла. Таблицы для этого энергетического уровня различных интересующих металлов можно найти. Энергетический уровень Ферми — это наивысшее энергетическое состояние всех спаренных электронов при абсолютном нуле. При абсолютном нуле все электроны внутри спарены и последовательно заполняют заполняемые состояния от нижней энергии до энергии Ферми. Когда металл нагревается, электроны могут переходить в более высокие энергетические состояния вплоть до уровня вакуума, который является самой высокой антисвязью, возможной в структуре. За уровнем вакуума из металла вылетает электрон. Энергия Ферми важна, потому что это удивительным образом средняя энергия электрона в металлической структуре выше абсолютного нуля. Наличие зоны проводимости в металлах стало возможным благодаря тому, что все орбитали перекрываются, а внешний электрон имеет очень низкий уровень ионизации. Зона проводимости очень близка к уровню энергии Ферми. Требуется очень мало тепла или разности потенциалов, чтобы поднять электроны до более высоких состояний проводимости энергии и двигаться внутри своей структуры. Разница между энергией Ферми и зоной проводимости широко известна как ширина запрещенной зоны. В проводниках запрещенной зоны на самом деле не существует из-за перекрытия орбиталей и совместного использования подвижного электрона. Перекрывающиеся орбиты и подвижный электрон создают непрерывный энергетический спектр. Электронам постоянно позволяют занимать более высокие энергетические состояния. В основном связанное состояние между двумя атомами металла ниже, чем у одного атома, и один атом должен ионизировать свой электрон, чтобы образовать связь. Если вы знакомы с работой выхода металла (уровень энергии Ферми + энергия фотона для выброса электрона). зона проводимости находится между этой точкой и уровнем Ферми, но порядка чего-то достаточно малого, что позволяет электрону очень легко перемещаться по структуре и никогда не принадлежать конкретному атому. Однако зона проводимости может находиться прямо на уровне Ферми. С точки зрения квантовой механики электроны в металлической структуре представляются бегущими волнами. Известно, что они образуют своего рода электронное облако внутри структуры, склеивающей атомы вместе с кулоновским притяжением между атомами, ионизированными положительным ионным зарядом. Вы можете визуализировать аккуратно сложенные шары с идеальными слоями и кубической формой с облаком, удерживающим их вместе. Когда электроны движутся, они создают дырку, и это новое место для другого электрона. Электроны движутся беспорядочно или за счет вложенной энергии. В среднем заряда электрона всегда достаточно, чтобы склеить вещи, потому что случайно существует определенное среднее значение, которое нужно заполнить дыру, или внешняя энергия, в которой электроны имеют направление в дыру от источника, расположенного дальше назад. Пластичность и пластичность являются результатом металлической связи. Поскольку электроны могут перемещаться достаточно легко, можно манипулировать металлическими атомами, чтобы они смещались в желаемом направлении, и ничто не мешает электронному облаку двигаться обратно вокруг сдвинутых атомов. Пластичность и пластичность кажутся возможными из-за этого феномена. Прочность материала связана с выравниванием кристаллоподобных образований. т.е. металл хочет начаться в одном целом кристаллическом образовании. Вот почему размягченный метел становится мягким в процессе медленного охлаждения. Атомы пытаются сформировать идеальный кристалл. Но при достаточно быстром нагревании и охлаждении эта кристаллическая структура распадается на субкристаллические структуры (структура, образованная более чем одной более мелкой кристаллической структурой). Вероятно, из-за термодинамических принципов. Возможно, выбросы электронного облака из более горячих областей в более холодные происходят естественным образом, чтобы создать достаточную силу в определенных точках, чтобы перемещать вещи пропорционально коллективной силе субкристаллов? Несмотря на это, этот процесс придает всему металлу более сильный и хрупкий эффект. После этого электроны могут дрейфовать вокруг закаленной стали, как и раньше, но их траектории изменились. Для пластичности и пластичности состояние кристаллической структуры, вероятно, усреднено, чтобы сохранить то же самое исходное кристаллическое образование, но уровни сплющиваются (т.е. нижние/верхние/соседние уровни). Электроны просто текут вокруг сплющенной структуры, как будто ничего не изменилось во время и после процесса. Но давление создает тепло, и это тепло заставляет атом оставаться в более высоких энергетических состояниях (в среднем). Более высокие состояния являются антисвязанными состояниями, поэтому нет клея, скрепляющего атом с его соседями, пока сила не будет устранена. Когда металл нагревается, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и сталью легче придать желаемую форму, потому что электроны стремятся дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживающего нагретую конструкцию, уменьшается пропорционально количеству тепла. Пластичность и пластичность звучат очень похоже, потому что они включают в себя одинаковое количество тепла или охлаждения. Электроны просто текут вокруг сплющенной структуры, как будто ничего не изменилось во время и после процесса. Но давление создает тепло, и это тепло заставляет атом оставаться в более высоких энергетических состояниях (в среднем). Более высокие состояния являются антисвязанными состояниями, поэтому нет клея, скрепляющего атом с его соседями, пока сила не будет устранена. Когда металл нагревается, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и сталью легче придать желаемую форму, потому что электроны стремятся дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживающего нагретую конструкцию, уменьшается пропорционально количеству тепла. Пластичность и пластичность звучат очень похоже, потому что они включают в себя одинаковое количество тепла или охлаждения. Электроны просто текут вокруг сплющенной структуры, как будто ничего не изменилось во время и после процесса. Но давление создает тепло, и это тепло заставляет атом оставаться в более высоких энергетических состояниях (в среднем). Более высокие состояния являются антисвязанными состояниями, поэтому нет клея, скрепляющего атом с его соседями, пока сила не будет устранена. Когда металл нагревается, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и сталью легче придать желаемую форму, потому что электроны стремятся дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживающего нагретую конструкцию, уменьшается пропорционально количеству тепла. Пластичность и пластичность звучат очень похоже, потому что они включают в себя одинаковое количество тепла или охлаждения. Но давление создает тепло, и это тепло заставляет атом оставаться в более высоких энергетических состояниях (в среднем). Более высокие состояния являются антисвязанными состояниями, поэтому нет клея, скрепляющего атом с его соседями, пока сила не будет устранена. Когда металл нагревается, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и сталью легче придать желаемую форму, потому что электроны стремятся дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживающего нагретую конструкцию, уменьшается пропорционально количеству тепла. Пластичность и пластичность звучат очень похоже, потому что они включают в себя одинаковое количество тепла или охлаждения. Но давление создает тепло, и это тепло заставляет атом оставаться в более высоких энергетических состояниях (в среднем). Более высокие состояния являются антисвязанными состояниями, поэтому нет клея, скрепляющего атом с его соседями, пока сила не будет устранена. Когда металл нагревается, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и сталью легче придать желаемую форму, потому что электроны стремятся дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживающего нагретую конструкцию, уменьшается пропорционально количеству тепла. Пластичность и пластичность звучат очень похоже, потому что они включают в себя одинаковое количество тепла или охлаждения. Когда металл нагревается, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и сталью легче придать желаемую форму, потому что электроны стремятся дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживающего нагретую конструкцию, уменьшается пропорционально количеству тепла. Пластичность и пластичность звучат очень похоже, потому что они включают в себя одинаковое количество тепла или охлаждения. Когда металл нагревается, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и сталью легче придать желаемую форму, потому что электроны стремятся дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживающего нагретую конструкцию, уменьшается пропорционально количеству тепла. Пластичность и пластичность звучат очень похоже, потому что они включают в себя одинаковое количество тепла или охлаждения.