Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής ΥΛΙΚΑ 1 L1. 2 Ατομικός αριθμός Ζ: αριθμός πρωτονίων ίσος με τον αριθμό ηλεκτρονίων σε ουδέτερο άτομο. Ατομικός αριθμός.

Παρουσίαση με θέμα: "Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής ΥΛΙΚΑ 1 L1. 2 Ατομικός αριθμός Ζ: αριθμός πρωτονίων ίσος με τον αριθμό ηλεκτρονίων σε ουδέτερο άτομο. Ατομικός αριθμός."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής ΥΛΙΚΑ 1 L1

2 2

3 Ατομικός αριθμός Ζ: αριθμός πρωτονίων ίσος με τον αριθμό ηλεκτρονίων σε ουδέτερο άτομο. Ατομικός αριθμός Ζ: αριθμός πρωτονίων ίσος με τον αριθμό ηλεκτρονίων σε ουδέτερο άτομο. Ν: αριθμός νετρονίων Ν: αριθμός νετρονίων Μαζικός αριθμός Α = Ζ+Ν Μαζικός αριθμός Α = Ζ+Ν Μονάδα ατομικής μάζας 1u=1,66×10- 27kg Μονάδα ατομικής μάζας 1u=1,66×10- 27kg Νουκλίδια: είδος πυρήνων με ίδιο Ζ (ισότοπα) Νουκλίδια: είδος πυρήνων με ίδιο Ζ (ισότοπα) 3

4

5 ΜΕΤΑΛΛΑ  ΟΡΙΣΜΟΣ Τα μέταλλα είναι σώματα κρυσταλλικά στη στερεή κατάσταση. Τα άτομά τους τοποθετούνται σε μια τρισδιάστατη, κανονική και συμμετρική διάταξη που επαναλαμβάνεται στο χώρο. Το τρισδιάστατο αυτό δίκτυο είναι γνωστό ως κρυσταλλικό πλέγμα. 5

6  ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ Ο μεταλλικός δεσμός είναι ένας ισχυρός δεσμός, γι ’ αυτό τα περισσότερα μέταλλα έχουν υψηλά σημεία τήξης. Ο μεταλλικός δεσμός θεωρείται ότι αποτελείται από ευκίνητα, μη εντοπισμένα μόνο σε ένα άτομο ηλεκτρόνια που μοιράζονται κατ ’ ουσία από όλα τα άτομα ενός δείγματος μετάλλου. 6

7 Η ηλεκτρονική δομή των μεταλλικών κρυστάλλων περιγράφεται συνήθως ως ένα σύνολο μεταλλικών ιόντων ( που προκύπτουν από τα άτομα με τη διαφυγή των ηλεκτρονίων σθένους ) εμβαπτισμένων σε μια ‘ θάλασσα ’ ευκίνητων ηλεκτρονίων σθένους. 7

8 ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ – ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΠΛΕΓΜΑΤΑ Το κρυσταλλικό πλέγμα είναι ένα σύνολο σημείων που διατάσσονται κατά περιοδικό τρόπο, έτσι ώστε για τυχόν σημείο του πλέγματος τα γειτονικά σ ’ αυτό σημεία να έχουν την ίδια διάταξη. 8

9 9

10 Το κρυσταλλικό πλέγμα διαφέρει από υλικό σε υλικό ανάλογα με το μέγεθος των δομικών μονάδων και τον τύπο των δεσμών μεταξύ των δομικών μονάδων. Οι λεπτομέρειες του κρυσταλλικού πλέγματος επηρεάζουν σημαντικά τις μακροσκοπικές ιδιότητες των κρυσταλλικών υλικών. Το μικρότερο τμήμα του κρυσταλλικού πλέγματος το οποίο διατηρεί όλα τα χαρακτηριστικά του όλου πλέγματος ονομάζεται κυψελίδα. 10

11 11 b a c α γ β

12 Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τύποι κρυσταλλικών πλεγμάτων ( κυψελίδων ): 1) Απλό, 2) Χωροκεντρωμένο, 3) Εδροκεντρωμένο και 4) Βασικοκεντρωμένο. 12

13 13 * P = θεμελιώδες, Ι = χωροκεντρωμένο, F = εδροκεντρωμένο, C = πλευροκεντρωμένο, R = ρομβοεδρικό

14 14

15 ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Η κρυσταλλική δομή των περισσότερων μετάλλων στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι μια από τις εξής τρεις κρυσταλλικές δομές : χωροκεντρωμένου κυβικού i. Κρυσταλλική δομή χωροκεντρωμένου κυβικού (bcc) εδροκεντρωμένου κυβικού ii. Κρυσταλλική δομή εδροκεντρωμένου κυβικού (fcc) και μεγίστης πυκνότητας εξαγωνικού iii. Κρυσταλλική δομή μεγίστης πυκνότητας εξαγωνικού (hcp) 15

16 ΣΧΗΜΑ 1 Κρυσταλλική δομή χωροκεντρωμένου κυβικού (bcc) για μέταλλα ( α ) η διάταξη των πλεγματικών θέσεων για μια κυψελίδα ( β ) η πραγματική τοποθέτηση των ατόμων ( που παριστάνονται ως συμπαγείς σφαίρες ) μέσα στην κυψελίδα και ( γ ) η επαναλαμβανόμενη bcc δομή, ισοδύναμη με πολλές παρακείμενες κυψελίδες 16

17 17

18 18 ΣΧΗΜΑ 2 Κρυσταλλική δομή εδροκεντρωμένου κυβικού (fcc) για μέταλλα ( α ) η διάταξη των πλεγματικών θέσεων για μια κυψελίδα ( β ) η πραγματική τοποθέτηση των ατόμων ( που παριστάνονται ως συμπαγείς σφαίρες ) μέσα στην κυψελίδα και ( γ ) η επαναλαμβανόμενη fcc δομή, ισοδύναμη με πολλές παρακείμενες κυψελίδες

19 19

20 20 ΣΧΗΜΑ 3 Η δομή των κυψελίδων του απλού εξαγωνικού (sh) και του μεγίστης πυκνότητας εξαγωνικού (hcp) πλέγματος ( α ) μοντέλο sh κυψελίδας με τη διάταξη των πλεγματικών θέσεων που δείχνει τη γεωμετρική συσχέτιση μεταξύ της ‘ μικρής ’ αρχικής και της ‘ μεγάλης ’ κυψελίδας ( β ) μοντέλο της ‘ μεγάλης ’ hcp κυψελίδας με τη διάταξη των πλεγματικών θέσεων που δείχνει και διάφορες γειτονικές κυψελίδες ( γ ) η τοποθέτηση των ατόμων ( που παριστάνονται ως συμπαγείς σφαίρες ) μέσα στην κυψελίδα ( δ ) η επαναλαμβανόμενη hcp δομή, ισοδύναμη με πολλές παρακείμενες κυψελίδες

21 21

22 ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Η στερεοποίηση των μετάλλων και των κραμάτων είναι μια σημαντική βιομηχανική διαδικασία λόγω του ότι τα περισσότερα μέταλλα τήκονται και μετά χυτεύονται για να λάβουν την τελική τους μορφή. Γενικά η διαδικασία στερεοποίησης ενός μετάλλου ή κράματος μπορεί να υποδιαιρεθεί στα ακόλουθα στάδια :  Σχηματισμός σταθερών πυρήνων στο τήγμα ( πυρηνοποίηση )  Ανάπτυξη των πυρήνων σε κρυστάλλους και τελικός σχηματισμός δομής κόκκων. 22

23 ΣΧΗΜΑ 4 Σχηματική παράσταση των διαφόρων σταδίων κατά τη στερεοποίηση των μετάλλων ( α ) σχηματισμός πυρήνων ( β ) ανάπτυξη των πυρήνων σε κρυστάλλους και ( γ ) κόκκοι και όρια κόκκων 23

24 Ανάπτυξη κρυστάλλων σε υγρό και σχηματισμός δομής κόκκων Μετά το σχηματισμό σταθερών πυρήνων σε ένα στερεοποιούμενο μέταλλο οι πυρήνες αυτοί αναπτύσσονται σε κρυστάλλους [ Σχήμα 4( β )]. Σε κάθε αναπτυσσόμενο κρύσταλλο τα άτομα διευθετούνται με περιοδική τάξη κατά τον ίδιο κανονικό τρόπο, όπως προβλέπεται από το κρυσταλλικό πλέγμα του συγκεκριμένου μετάλλου, αλλά ο προσανατολισμός των κρυστάλλων ποικίλει. 24

25 ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΣΤΗ ΔΟΜΗ Η εικόνα της κρυσταλλικής δομής που αναπτύχθηκε ανωτέρω είναι ιδανική η οποία πολύ σπάνια συναντάται στα φυσικά σώματα, διότι σχεδόν πάντοτε υπάρχουν ατέλειες. Οι ατέλειες αυτές επηρεάζουν τις ιδιότητες των υλικών, όπως τη μηχανική αντοχή, τις ηλεκτρικές ιδιότητες κ. α.. Οι ατέλειες μπορούν να χωρισθούν σε σημειακές ατέλειες, γραμμικές ατέλειες και επιφανειακές ατέλειες. 25

26 ΣΗΜΕΙΑΚΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣ Οι σημειακές ατέλειες αποτελούν τοπικές διακοπές στην κανονικότητα του πλέγματος. Αυτές οι ατέλειες μπορούν να δημιουργηθούν με μετακίνηση των ατόμων, όταν αυτά προσλαμβάνουν ενέργεια με θέρμανση κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας του υλικού, με εισαγωγή ξένων στοιχείων ή σκοπίμως με κραματοποίηση. Οι σημειακές ατέλειες υποδιαιρούνται σε ατέλειες κενής θέσης, ατέλειες ενδόθετης τοποθέτησης ( παρεμβολής ) και ατέλειες αντικατάστασης. Η κενή θέση οφείλεται στην απουσία ενός ατόμου από την κανονική θέση του κρυσταλλικού πλέγματος και δημιουργείται κατά την αρχική κρυστάλλωση ή από τη θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες ή με ακτινοβολία. 26

27 ΣΧΗΜΑ 5 Σχηματική παράσταση των σημειακών ατελειών ( α ) κενή θέση ( β ) ενδόθετη τοποθέτηση ( γ ) αντικατάσταση ( μικρό άτομο ) ( δ ) αντικατάσταση ( μεγάλο άτομο ) 27

28 ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣ Ή ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ Γραμμικές ατέλειες ή διαταραχές στα στερεά κρυσταλλικά σώματα είναι ατέλειες που προκαλούν παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος, η οποία εντοπίζεται γύρω από μια γραμμή. Οι διαταραχές μπορεί να δημιουργηθούν κατά τη στερεοποίηση και κατά το μετασχηματισμό φάσεων. Μπορούν επίσης να προέλθουν από την εφαρμογή εξωτερικών δυνάμεων και από την προσθήκη στοιχείων για τη δημιουργία κράματος. Οι σπουδαιότεροι τύποι διαταραχών είναι η διαταραχή ακμής και η κοχλιωτή διαταραχή. 28

29 ΣΧΗΜΑ 6 Σχηματική παράσταση τμήματος του κρυσταλλικού πλέγματος που περιέχει μια διαταραχή ακμής, η οποία σημειώνεται ως. Το διάνυσμα Burgers b έχει μήκος ίσο με την απόσταση μεταξύ του τελευταίου ατόμου και του ατόμου εκκίνησης. 29

30 ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣ Οι διεπιφανειακές ατέλειες είναι οι διεπιφάνειες που διαχωρίζουν ένα υλικό σε περιοχές που κάθε μια έχει την ίδια κρυσταλλική δομή ( ίδιο κρυσταλλικό πλέγμα ), αλλά διαφορετικό προσανατολισμό ή σε περιοχές με διαφορετικές κρυσταλλικές δομές. Οι ατέλειες αυτές περιλαμβάνουν τα όρια των κόκκων, τα σφάλματα στοιβάγματος, τις επιφάνειες διδυμιών και τα όρια φάσεων. 30

31 Όρια κόκκων Η μικροδομή των μετάλλων και των περισσοτέρων άλλων κρυσταλλικών υλικών αποτελείται από πολλούς μικρούς κρυστάλλους ( κόκκους ) τοποθετημένους ο ένας δίπλα στον άλλο ( πολυκρυσταλλικά υλικά ) έτσι ώστε να σχηματίζεται ένα συνεχές υλικό. Ένας κόκκος είναι ένα τμήμα του υλικού μέσα στο οποίο ο τρόπος τοποθέτησης των δομικών μονάδων είναι ο ίδιος. Ωστόσο, ο προσανατολισμός τοποθέτησης των δομικών μονάδων είναι διαφορετικός σε κάθε κόκκο. 31

32 Το Σχήμα 7 δίνει σχηματικά τρεις γειτονικούς κόκκους. Το κρυσταλλικό πλέγμα σε κάθε κόκκο είναι το ίδιο, αλλά τα πλέγματα έχουν διαφορετικό προσανατολισμό. Τα όρια των κόκκων είναι οι διεπιφάνειες στα πολυκρυσταλλικά υλικά που διαχωρίζουν τους επί μέρους κόκκους διαφορετικών προσανατολισμών και αποτελούν στενές ζώνες πλάτους δύο έως πέντε ατομικών διαμέτρων, στις οποίες τα άτομα των γειτονικών κόκκων δεν τοποθετούνται στο χώρο όπως προβλέπεται από το κρυσταλλικό πλέγμα και επομένως αποτελούν ατέλειες. 32

33 ΣΧΗΜΑ 7 Τα άτομα κοντά στα όρια των κόκκων δεν έχουν κανονική τοποθέτηση 33

34 ΣΧΗΜΑ 8 Όρια μεταξύ δύο κόκκων κυβικού πλέγματος με γωνία α μεταξύ προσανατολισμών τοποθέτησης των δομικών μονάδων. 34

35 ΟΠΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ Η οπτική μικροσκοπία είναι σημαντική τεχνική παρατήρησης της δομής των υλικών και βασική μέθοδος της μεταλλογραφίας. Η πηγή ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται είναι συνήθως λευκό φως και η διακριτική ικανότητα είναι περίπου 2500Å ( μεγεθυντική ικανότητα 2000x). 35

36 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ Στην περίπτωση των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων διερχόμενης δέσμης (Transmission Electron Microscopy, TEM) η δέσμη ηλεκτρονίων διαπερνά το εξεταζόμενο δοκίμιο, το οποίο πρέπει να είναι πάρα πολύ μικρού πάχους ούτως ώστε τα εισερχόμενα στο υλικό ηλεκτρόνια να μπορούν να το διαπερνούν. Κατά τη δίοδό τους δια μέσου του δείγματος μερικά ηλεκτρόνια απορροφούνται και άλλα υφίστανται σκέδαση και αλλάζουν κατεύθυνση κίνησης, λόγω διαφορών στη διάταξη των δομικών μονάδων στη δομή του υλικού. 36

37 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Φάση είναι ένα χημικά και δομικά ομογενές τμήμα της μικροδομής. Μια απλή φάση της μικροδομής μπορεί να είναι πολυκρυσταλλική, αλλά κάθε κρυσταλλικός κόκκος διαφέρει μόνο στον προσανατολισμό και όχι στη χημική σύσταση ή τη δομή. Η φάση δεν πρέπει να συγχέεται με το συστατικό που είναι ένα συγκεκριμένο χημικό στοιχείο ή χημική ένωση από το οποίο δημιουργείται η φάση. 37