2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 1
KRYSTALL STRUKTUR
Metallene kan vi behandle som aggregater (sammenhopning) av atomer.
Vi må kunne skjelne mellom gitterstruktur (atomstruktur) og krystallstruktur (kornstruktur).
GITTERSTRUKTUR I metaller og metall-legeringer er at
atomene er ordnet i et eller annet
regelmessig 3-dimensjonalt mønster.
De har krystallinsk struktur.
Et aggregat av atomer ordnet etter et
slikt mønster kalles et krystall.
I metallurgien brukes ofte betegnelsen
krystallitt eller korn.
Størrelsen på krystallene i tekniske
metaller og legeringer er 1/17 –
1/100mm i diameter.
Gitterstrukturen er det mønster som
ligger til grunn for atomenes ordning i
krystallinske materialer.
Gitterstrukturen er karakterisert av
regelmessighet og symmetri.
Forskjellige enhetsceller som skjematisk beskriver
gitterstrukturen.
Den minste enheten er enhetscellen.
Geometrien til en generell
enhetscelle
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 2
De syv krystallsystemer.
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 3
Gitterstrukturen kan beskrives ved hjelp av enhetscellen.
4 gitterstrukturer er av betydning: Kubisk romsentrert struktur
Kubisk flatesentrert struktur
tetragonal struktur
Tettpakket heksagonal struktur
Enkel kubisk gitterstruktur.
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 4
Kubisk romsentrert struktur - Body Centred Cubic structur D R Askeland
Eksempler på metaller:
- Jern (Fe):
under 9100C og over 13900C
- Tanal (Ta)
- Krom (Cr)
- Wolfram (W)
- Molybden (Mo)
Enhetscellen i kubisk romsentrert struktur. Vektorene a = b = c.
Kubisk romsentrert struktur
(a) representert som kompakte kuler hvor 68% av volumet er opptatt av atomer
(b) representert som reduserte kuler
(c) et aggregat av mange atomer
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 5
Kubisk flatesentrert struktur - Face Centred Cubic structur D R Askelan
Eksempler på metaller:
- Jern (Fe) mellom 9100C og 13900C
- Gull (Au)
- Aluminium (Al)
- Kobber (Cu)
- Bly (Bl)
- Nikkel (Ni)
Enhetscellen i kubisk flatesentrert struktur. Vektorene a = b = c
Vanligste gitterstruktur blant metallene.
Representerer den tettest mulige pakning av
atomene.
Kubisk flatesentrert struktur.
(a) representert som
kompakte kuler hvor 74% av
volumet er opptatt av atomer
(b) representert som
reduserte kuler
(c) et aggregat av mange
atomer.
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 6
Tetragonal romsentrert struktur
Eksempler på metaller:
- Tinn (Sn)
- Flere legeringer
Enhetscellen i tetragonal romsentrert struktur. Vektorene a = b ≠ c
Tettpakket heksagonal struktur
Eksempler på metaller:
- Beryllium (Be)
- Magnesium (Mg)
- Kadmium (Cd)- Titan (Ti)
- Sink (Zn)
- Kobolt (Co)
Enhetscellen i heksagonal tettpakket struktur.
(a) representert som reduserte kuler
(b) et aggregat av mange atomer
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 7
BLANDKRYSTALLER Dannes hvis er oppløst i hovedmetallet i fast tilstand.
Hvis legeringselementene ikke er oppløst i hovedmetallet i fast tilstand, dannes det 2 typer krystaller.
Blandkrystaller kan oppstå på 2 måter, som:
Substitusjonsløsning
Addisjonsløsning
Substitusjonsløsning
Begge atomkomponentene erstatter hverandre i gitteret og inntar likeverdige plasser.
Forutsetning for god løselighet er:
- liten forskjell i atomradius (maks. ca. 15%)
- komponentene må ha samme gitterstruktur
Eksempel:
Kobber (Cu) og nikkel (Ni) har veldig lik atomoppbygging.
→ 100% oppløselige i hverandre.
Substitusjonsløsning
Addisjonsløsning (mellomromsløsning)
Atomene fra den ene komponenten er betydelig mindre enn atomene tilhørende den andre.
De små atomene inntar plasser i mellomrommene.
De ulike atomene kan ikke erstatte hverandre i gitteret.
De største atomene beholder sine plasser og sin gitterstruktur.
Eksempel:
Hydrogen (H), nitrogen (N), karbon (C), og bor (B) kan danne addisjonsløsning med jern (Fe).
Addisjonsløsning
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 8
INTERMETALLISK FORBINDELSE
Strukturform som består av to eller flere slags metallatomer.
Sammen danner disse en karakteristisk gitterstruktur forskjellige fra de rene metallene.
POLYMORF ELLER ALLOTROPT METALL
Noen få metaller har den egenskap at de kan danne flere forskjellige gitterstrukturer når temperaturen i materialet forandres.
Dette kalles en polymorf eller allotrop omvandling.
Jern (Fe) er et polymorft metall:
- Kubisk romsentrert under 9100C og over 13800C
- Kubisk flatesentrert over 9100C og under 13800C
Dette er årsaken til at en gjennom varmebehandling kan regulere stålenes egenskaper i så stor grad.
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 9
KRYSTALLSTRUKTUR (KORNSTRUKTUR)
Metaller og metall-legeringer er polykrystallinske.
I fast tilstand består de av et stort antall krystaller med
uregelmessig ytre form og en vilkårlig orientering i
rommet.
Størkningen starter samtidig på mange steder der
homogeniteten av forskjellige grunner er brutt i smelten.
Disse stedene kalles kim.
Krystallene vokser, støter sammen tilfeldig og danner
krystaller (krystallitter eller korn).
Områdene der de støter sammen kaller vi korngrenser.
Størkning i en smelte fra kim til ferdig kornstruktur, skjematisk
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 10
Kornstrukturer, mønster:
Avhengig av smeltens sammensetning og størkningsforholdene.
De viktigste kornstrukturene er:
Polyedrisk struktur
Dendrittisk struktur
Søyleformet struktur
Innenfor disse typene kan vi skjelne mellom fin og grov struktur.
Korngrenseområdet forstørret.
Legg merke til den store uorden i
gitterstrukturen.
Polyedrisk struktur
Består av mangekantede krystaller eller korn av forskjellig størrelse.
Polyedrisk
struktur
Dendrittisk struktur Kan dannes som ”slutt-struktur” i bestemte metaller og under bestemte forhold.
Dendrittisk
struktur
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 11
Søyleformet struktur Fremkommer når en metallsmelte helles ned i en forholdsvis kald kokille
(metallform).
Metallet nærmest kokilleveggen avkjøles raskt og det dannes tallrike kim ved
veggen.
Eneste fri vekstretning er så innover i smelten.
Det dannes søylekrystaller.
Disse lange krystallstengler vokser loddrett på avkjølingsflaten, og ved et vil
krystallene vokse som vist i figuren under.
Søyleformet
struktur
Rettvinklet hjørne er veldig ugunstig.
Det har lett for å oppstå spenninger i overgangssonen mellom de horisontalt og
vertkalt voksende krystaller.
Konstruksjoner som skal støpes bør ha avrundede hjørner.
Søylekrystaller i
støpeform med
avrundet hjørne
Søylekrystalldannelser kan føre til svekkelse av en sveis midtparti med
varmsprekker som følge.
Søylekrystaller i kilsveis kan
medvirke til såkalte varmsprekker
2 Atomic structure (lectures notes)
Henning Johansen © side 12
Skjematisk fremstilling av krystallisasjonsforløpet.
Ved større dimensjoner får vi en kjernesone C med store polyedriske krystaller.
Generelt:
- Fin struktur har bedre mekaniske egenskaper enn en grov.
- Deleplanene i en søyleformet struktur er mekanisk svake.
Kornstrukturen:
- Vil være avhengig av hvilke metaller legeringen består av.
- Vil som regel bestå av to eller flere forskjellige gitterstrukturer.
- Vil som regel bestå av flere forskjellige faser.
- Vil være avhengig av størkningsforholdene (hurtig eller langsom størkning)
- Vil være avhengig Mekanisk behandling (bearbeiding)
- Vil være avhengig Varmebehandling
Ved å variere disse faktorer er det store muligheter til å forandre strukturen og
dermed materialets mekanisk-teknologiske egenskaper.
Skjematisk fremstilling av 3 primære
krystallisasjonsformer i en støpeblokk:
A: Ytre finkornete polyedriske krystaller
B: Søylekrystaller
C: Indre grovkornete polyedriske
krystaller
Top Related