Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Úvod do materiálových věd a inženýrství Ing. Eva Novotná, Ph.D., Paed. IGIP A3/401a tel. 5 4114 3180

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Úvod do materiálových věd a inženýrství Ing. Eva Novotná, Ph.D., Paed. IGIP A3/401a tel. 5 4114 3180"— Transkript prezentace:

1 Úvod do materiálových věd a inženýrství Ing. Eva Novotná, Ph.D., Paed. IGIP A3/401a tel

2 Časový plán výuky Struktura hmoty Chování kovů za působení vnějších sil I Chování kovů za působení vnějších sil II Úvod do termodynamiky Úvod do kinetiky Úvod do difuze Fázové přeměny a fázové diagramy I Fázové přeměny a fázové diagramy II Tuhnutí, krystalizace a fázové přeměny v tuhém stavu Kovové materiály, keramika Polymery Kompozity Degradace materiálů, další vlastnosti materiálů

3 Studijní materiály : Studium – výuka  zadání cvičení Studium – studijní opory  podpůrné materiály do cvičení Poznámky z přednášek Další

4 Struktura hmoty - osnova 1.Atom – stavba, modely, elektronová konfigurace, periodická soustava prvků 2.Vazby mezi atomy – iontová, kovalentní, kovová, vodíkové můstky, van der Waalsova vazba 3.Krystalografie – uložení částic v prostoru, krystalografické mřížky, Millerovy indexy krystalografických směrů a rovin 4.Poruchy krystalografických mříží – bodové, čarové, plošné, prostorové Pozn.: body 1 a 2 byly dostatečně probrány v předmětu CHEMIE, proto zde jen stručný přehled

5 ProtonNeutronElektron Elektrický náboj [C]+ 1, , Hmotnost [kg]1, , , Atom

6 Popis atomu Atom libovolného prvku je možno popsat pomocí nukleonového a protonového čísla: Protonové (atomové) číslo udává počet protonů v jádře atomu prvku X. Počet protonů v jádře atomu stejného prvku je vždy stejný; u elektroneutrálního atomu udává Z i počet elektronů. Nukleonové číslo udává počet nukleonů v jádře atomu prvku X. Počet neutronů v jádře atomu stejného prvku může být různý; podle toho se určují izotopy daného prvku. X N Z Obecné označení prvku

7

8 Bohrův model atomu První akceptovatelný model atomu předložil v roce 1913 Niels Bohr.

9 Kvantově mechanický model atomu popisuje každý elektron v atomu čtyřmi kvantovými čísly: 1.Hlavním kvantovým číslem n, slupky K (n = 1); L (n = 2); M (n = 3); N (n = 4); O (n = 5); P (n = 6) 2.Orbitálním kvantovým číslem l, kde l = 0, 1, 2, 3,... n – 1 (l = 0  s, l = 1  p, l = 2  d, l = 3  f) 3.Magnetickým kvantovým číslem m, kde m = 0, ±1, ±2,.... ±l (má tedy 2l+1 hodnot) 4.Spinovým kvantovým číslem ms, kde ms nabývá hodnotu +1/2 pro jeden směr rotace nebo –1/2 pro druhý směr.

10 jádro atomu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 5d 10 4f 14 6p 6 Elektronové dráhy - orbity orbit p orbit d

11 Orbitaly atomu bóru

12

13 2. Vazby mezi atomy br.cz/files/Studijn i%20opory/nomd/ struktura%20hmo ty.doc Attractive energy E A Net energy E N Repulsive energy E R Interatomic separation r

14 Primární vazby kovová vazba iontová vazba kovalentní vazba nepolární kovalentní vazba polární Sekundární vazby Vodíkové můstky Van der Waalsova vazba

15 Iontová vazba iontová vazba © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™

16 Kovalentní vazba kovalentní vazba nepolární kovalentní vazba polární

17 4 – vaznost uhlíku C: 1s 2 2s 1 2p 3

18 Kovová vazba © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Valenční elektrony  elektronový plyn

19 Vodíkový můstek (vodíková vazba) © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™

20 nejslabší vazebné síly např. vazba mezi vrstvami kovalentně vázaných atomů uhlíku v grafitu Vazba Van der Waalsova

21 Typy vazeb v různých materiálech kovy keramika a skla polymery polovodiče kovalentní iontová kovová sekundární (Van der Waalsova vazba)

22 Rozložení atomů v prostoru a)Plyny b)Kapaliny c)pevné látky amorfní (neuspořádané; sklo, některé plasty) d)pevné látky krystalické (uspořádané; kovy, keramika a některé plasty) Pozn,: některé pevné látky mohou být za jistých podmínek krystalické, za jiných podmínek amorfní 3. Krystalografie

23 Uspořádání atomů krystalických látek v prostoru Základní představa o krystalových strukturách vychází z principu „kulového uspořádání“. Goldschmidt a Laves formulovali 3 principy: nejtěsnějšího uspořádání (spojnice a objem) symetrie interakce (vazby) Uvedená pravidla platí především pro kovové a iontové sloučeniny. Ostatní typy struktur vykazují menší či větší odchylky od těchto principů.

24 Atomy v krystalové mřížce A: dokonalá mřížka (sc) B: krystalová mřížka s atomovými rovinami C: schéma atomových rovin Představa uspořádání atomů v rovinách

25 Mřížkové parametry Geometrie buňky je úplně definována šesti parametry:  úseky a, b, c, které buňka vytíná na osách x, y, z  úhly , β, , které spolu zmíněné osy svírají

26 Krystalografické soustavy Trojklonná, triklinická a  b  c, α  β    90° Jednoklonná, monoklinická a  b  c, α  β  90°   Šesterečná, hexagonální a  b  c, α  β  90°,   90° (a 1  a 2  a 3  c, α 1  α 2  α 3  120°,   90°) Klencová, romboedrická a  b  c, α  β    90° Krychlová, kubická a  b  c, α  β    90° Čtverečná, tetragonální a  b  c, α  β    90° Kosočtverečná, ortorombická a  b  c, α  β    90°

27 Bravaisovy mřížky Mřížka prostá simple Mřížka bazálně středěná base centered Mřížka tělesově středěná body centered Mřížka plošně středěná face centered Kubická a = b = c  Cubic Tetragonální a = b  c  Tetragonal Ortorombická a  b  c  Orthorhombic Romboedrická a = b = c  Rhombohedral Monoklinická a  b  c  Monoclicnic Triklinická a  b  c  Triclinic Šesterečná a 1 = a 2 = a 3  c         Hexagonal

28 Mřížka kubická Polonium, Mn-  Fe- , Ti, V, W, Cr, Mo, Nb, Ta Fe- , Cu, Ni, Pb, Au, Ag, Pt, SC BCC FCC

29 Intersticiální dutiny v mřížce BCC a FCC Mřížka BCC Mřížka FCC a) Oktaedrická dutina b) tetraedrická dutina

30 Mřížka šesterečná těsně uspořádaná (HCP) Příklady prvků s mřížkou HCP: Ti- , Zn, Mg, Be, Co

31 Příklad krystalové struktury keramiky Nový supravodivý materiál na bázi keramiky (oxidu yttria, baria a mědi)

32 Příklad krystalové struktury polymeru (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Elementární buňka krystalického polyetylenu

33 Aby bylo možné indexovat krystalo- grafické roviny, tzn. určit Millerovy indexy, je nutné zorientovat elemen- tární buňku v souřadnicovém systému. Millerovy indexy se dělí na: 1.Indexy krystalografických směrů jednoho konkrétního směru [uvw] souhrnu směrů jednoho typu 2.Indexy krystalografických rovin jedné konkrétní roviny (hkl) souhrnu rovin jednoho typu {hkl} Indexování krystalografických rovin a směrů

34 Millerovy indexy směrů (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Jak určíme Millerův index směru? „Od souřadnic koncového bodu vyzna- čeného směru odečteme souřadnice jeho počátku. Výsledek zapíšeme do hranatých závorek bez oddělovacích čárek.“ Př. A: [1,0,0] - [0,0,0] = [1 0 0] Př. B: [1,1,1] - [0,0,0] = [1 1 1] Pokud výsledek není celočíselný, pře- vedeme ho na celá čísla. Pokud je ve výsledku záporné číslo, zna- ménko se píše nad příslušnou číslici. Př. C: [0,0,1] - [,1,0] = [- -1 1] = [1 2 2] ¯ ¯¯ ¯

35 Příklady Millerových indexů směrů

36 Millerovy indexy souboru směrů (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Zapisují se do závorek Zahrnují všechny směry téhož typu, např. další příklad: [100] [010] … ……………… …… =

37 Millerovy indexy rovin Jak určíme Millerův index roviny? Určíme úseky, které rovina vytíná na osách x, y, z. Určíme převrácené hodnoty těchto úseků. Výsledek převedeme na nejmenší celá čísla a zapíšeme do ( ) závorek. 4. Millerovy indexy (632) 1. Vytnuté úseky Převrácené hodnoty1/2 1/4 1/6 3. Nejmenší celá čísla Příklad:a b c

38 Millerovy indexy rovin z x y a b c z x y a b c 4. Millerovy indexy (110) 1 1  1/1 1/1 1/  a b c 1. Vytnuté úseky 2.Převrácené hodnoty 3. Nejmenší celá čísla Příklad: 1/2   1/½ 1/  1/  Millerovy indexy (110) a b c 1. Vytnuté úseky 2.Převrácené hodnoty 3a. Celá čísla Příklad: 3b. Nejmenší celá čísla

39 Příklady Millerových indexů rovin soubor rovin: Zapisují se do { } závorek Zahrnují všechny směry téhož typu

40 Millerovy indexy pro mřížku HCP (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™

41 4. PORUCHY KRYSTALOVÉ MŘÍŽKY  Bodové poruchy  Čárové poruchy  Plošné poruchy  Prostorové poruchy

42 Bodové poruchy ( 0 D) (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning a)Vakance b)Intersticiální atom c)Malý substituční atom d)Velký substituční atom

43 e) Schottkyho porucha (vakance + substituční atom) (e) (f) f) Frenkelova porucha (vakance + intersticiální atom)

44 Čárové poruchy – dislokace ( 1 D) Kritéria rozdělení dislokací: Tvar : hranová, šroubová, obecná (smíšená) Velikost : neúplná, násobná Orientace : kladná, záporná Dislokace = přesunutí atomových rovin

45 Burgersův vektor hranové dislokace S = C S  C Star = Cíl  uzavřená dislokační smyčka  dokonalá mřížka Star  Cíl  otevřenou dislokační smyčku uzavírá Burgersův vektor „b“  dislokace (v tomto případě hranová)

46

47 Mřížka je rozdělena a mezi roviny atomů je vložena jedna atomová polorovina. Čára, která tvoří spodní konec poloroviny, se nazývá hranová dislokace Hranová dislokace (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Hranová dislokace Dokonalá mřížka

48 Šroubová dislokace (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Dokonalá mřížka Mřížka je rozdělena a posunuta o jednu atomovou rovinu. Čára, podle které je mřížka posunuta, se nazývá šroubová dislokace. Šroubová dislokace (a) (b)

49 C: zjednodušení mřížky do atomových rovin B: krystalová mřížka s atomovými rovinami A: dokonalá mřížka E: šroubová dislokace D: hranová dislokace; černé – Burgersův vektor, modré – dislokační čára krystal SiC = jediná šroub. dislokace

50 Obecná dislokace Smíšená dislokace Hranová dislokace Šroubová dislokace

51 Plošné poruchy - Vrstevné chyby (2 D) Frankova smyčka

52 Prostorové poruchy (3 D) a)Mezifázové rozhraní b)Hranice zrna a) koherentníb) nekoherentní c) semikoherentní a) Mezifázové rozhraní

53 b) Hranice zrna Zrno materiálu  3D útvar  Vznik z jednoho krystalizačního zárodku  jedna orientace krystalové mřížky  roste dokud nenarazí na sousední zrna s jinou orientací mřížky  hranice

54 Velkoúhlová hranice zrna Maloúhlová hranice zrna

55 Pokračování příště


Stáhnout ppt "Úvod do materiálových věd a inženýrství Ing. Eva Novotná, Ph.D., Paed. IGIP A3/401a tel. 5 4114 3180"

Podobné prezentace


Reklamy Google