1. Co rozumiemy przez strukturę materiałów? Struktura materiałów może być rozważana w różnych aspektach. Z jednej strony strukturą nazywamy sposób ułożenia atomów lub cząsteczek, np. bezpostaciowa (amorficzna) lub krystaliczna, z uwzględnieniem defektów, z drugiej zaś - wzajemny układ i dyspersję różnych ziarn (kryształów). W pierwszym przypadku mówi się o strukturze krystalicznej, która może być analizowana za pomocą metod dyfrakcyjnych przy użyciu promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów, w drugim istnieje szeroki zakres metod badawczych począwszy od obserwacji "gołym" okiem (makrostruktura), a przy większych powiększeniach za pomocą mikroskopu optycznego (mikrostruktura) lub elektronowego (submikrostruktura).
2. Jakie są metody wytwarzania materiałów metalicznych? Metody wytwarzania materiałów metalicznych są bardzo zróżnicowane, zależnie od rodzaju materiału, ale zawsze wywierają istotny wpływ na strukturę, a więc i własności. Metale wytwarza się w większości przez odlewanie do form. Formy te mogą nadawać metalowi ostateczny kształt lub mogą formować t.zw. wlewek przeznaczony do przeróbki plastycznej na gorąco lub zimno. Struktura, a więc i własności, zależą istotnie od metody formowania i z reguły są bardziej korzystne po przeróbce plastycznej niż po odlewaniu. Pewien wpływ wywiera również sposób przeróbki plastycznej, która może polegać na kuciu, prasowaniu, ciągnieniu, wyciskaniu, walcowaniu. Inna metoda wytwarzania metali opiera się na metalurgii proszków (t.zn. prasowaniu i spiekaniu), która ma wiele zalet, a mianowicie pozwala na uzyskanie gotowych elementów, o dużej jednorodności chemicznej i strukturalnej i jest bezkonkurencyjna jeśli chodzi o wytwarzanie metali trudnotopliwych (Pt, W, Mo). Mniejsze zastosowanie mają metody galwaniczne i natryskowe, które są wykorzystywane głównie do konstytuowania warstw wierzchnich.
3. Jak jest zbudowany układ okresowy pierwiastków? Układ okresowy pierwiastków (Mendelejewa) (tab. 1.1) składa się z 7 poziomych szeregów zwanych okresami i 9 pionowych rzędów zwanych grupami, z tym że większość grup dzieli się na podgrupy A i B. W grupie VIII jest 9 pierwiastków (m. in. Fe, Co i Ni), a w grupie IX (oznaczonej 0) - gazy szlachetne. Pierwiastki są uszeregowane w okresach wg wzrastających liczb atomowych (liczby protonów lub elektronów). Duże podobieństwo własności występuje w 14 pierwiastkach ziem rzadkich (lantanowcach o liczbie atomowej 58 - 71) i 14 pierwiastkach o liczbie atomowej 90 - 103 zwanych aktynowcami. Te grupy pierwiastków są zblokowane w układzie okresowym na pozycjach 57 i 89 (odpowiednio lantanu i aktynu). Ze wzrostem liczby atomowej zachodzą istotne skokowe zmiany własności różniące pierwiastki między sobą, przy czym w jednej grupie pomimo różnych liczb atomowych własności pierwiastków są zbliżone.
4. Jaki jest współczesny obraz atomu? Obecnie opis budowy atomu opiera się na mechanice kwantowej, zgodnie z którą stan energetyczny każdego elektronu jest określony czterema liczbami kwantowymi, pęd elektronu ma pewien zakres nieoznaczoności, ruch elektronów może być traktowany jako fala, a położenie elektronów traktuje się w kategoriach prawdopodobieństwa. Głównym sukcesem mechaniki kwantowej była interpretacja subtelnych linii widmowych, których nie można było wyjaśnić w oparciu o model atomu Bohra.
5. Co rozumie się przez wielkość atomu? Wielkość atomu nie jest pojęciem jednoznacznym chociaż bardzo użytecznym. Inna bowiem będzie średnica atomu swobodnego rozumiana jako zasięg jego chmury elektronowej, inna atomu w jego sieci krystalicznej, a jeszcze inna w związku. Dla pierwiastków metalicznych określa się średnice atomów jako najbliższe odległości atomów stykających się we własnej sieci krystalicznej. Obliczone stąd promienie są nazywane krystalicznymi, zależą one jednak od liczby koordynacyjnej sieci zmniejszając się z jej obniżaniem (poprawki Goldschmidta). Wskutek tego promienie krystaliczne są różne dla różnych odmian alotropowych tego samego pierwiastka. Inny sposób polega na obliczeniu promieni atomowych na postawie objętości sieci przypadającej na atom, przyjmując, że objętość ta ma kształt kuli. Są to promienie Seitza. W przypadku pierwiastków metalicznych są one względnie niezależne od liczby koordynacyjnej i typu sieci nie tylko dla czystych pierwiastków ale i dla stopów. Promienie atomowe podlegają prawom okresowości.
6. Jak kształtuje się wielkość atomów w stopach? Zagadnienie wielkości jonów i atomów w stopach jest jeszcze bardziej skomplikowane niż w czystych metalach. Wiadomo, że odległości międzyatomowe w roztworach stałych zmieniają się w przybliżeniu proporcjonalnie do różnicy wielkości atomów i udziału procentowego składników (reguła Vegarda). Oznacza to, że wprowadzenie do sieci pierwiastka A, atomów pierwiastka B o większych promieniach spowoduje wzrost parametrów sieci roztworu stałego, tym większy im większe będzie stężenie atomów B. Od reguły Vegarda istnieje jednak wiele wyjątków, gdyż odgrywa tu rolę tzw. ściśliwość atom, której miarą jest stosunek średnicy atomu do średnicy jego jonu, a także różnica wartościowości. Wzrost wartościowości atomów domieszki ma tendencję zwiększania parametrów sieci roztworu stałego.
7. Co to jest odległość równowagowa atomów w krysztale? Odległością równowagową atomów nazywamy taką odległość, przy której siły przyciągania równoważą się z siłami odpychania, dzięki czemu siły wzajemnego oddziaływania są równe zeru. Odległość ta jest stała w określonych warunkach i dla danego materiału. Zarówno siły przyciągania jak i odpychania zależą od odległości międzyatomowej (rys.4.1), ale w odległości ro ( równowagowej) siły te są równe i przeciwnie skierowane, jednocześnie energia wzajemnego oddziaływania jest minimalna. W miarę zbliżania atomów , gwałtownie rośnie siła odpychająca atomy, a przy oddalaniu zwiększa się siła przyciągająca, która decyduje o wytrzymałości. W obydwóch przypadkach jest to związane ze wzrostem energii potencjalnej U układu atomów.
8. Jakie wnioski można wyciągnąć z wykresu sił (lub energii) wzajemnego oddziaływania atomów w funkcji odległości? Z wykresu (rys.4.1)(rys.4.1) można wyciągnąć następujące wnioski: - Gdy r jest bardzo duże, siła wzajemnego oddziaływania F i energia potencjalna wzajemnego oddziaływania U są równe zeru. -Ze zmniejszaniem r pojawia się siła przyciągająca i energia układu maleje, osiągając minimum przy r0. Wtedy siła wzajemnego oddziaływania jest równa zeru. - Dalsze zmniejszanie r wywołuje gwałtowny wzrost siły odpychającej i energii U.
9. Jakie typy wiązań międzyatomowych występują w różnych materiałach? Rozróżnia się cztery typy wiązań międzyatomowych: jonowe, atomowe (kowalencyjne), międzycząsteczkowe (van der Waalsa) i metaliczne. Wiązanie jonowe jest typowe dla kryształów jonowych (np.NaCl), atomowe dla dwuatomowych cząsteczek gazu (H2,N2,O2), a także materiałów półprzewodnikowych (Si, Ge). ::..Wiązanie van der Waalsa łączy cząsteczki, które powstają za pomocą wiązania atomowego, w skondensowane stany skupienia (np.przy skraplaniu gazów (H2, Cl2, N2), a także w kryształach jodu, siarki, selenu i telluru oraz działa między łańcuchami organicznych polimerów. Wiązanie metaliczne występuje w metalach i związkach międzymetalicznych, które wykazują własności metaliczne.
10. Na czym polega wiązanie jonowe? Wiązanie jonowe jest wynikiem dążenia różnych atomów do tworzenia trwałych 8-elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych poprzez uwspólnienie elektronów (rys.4.2)(rys.4.2). Tak np. w NaCl atom sodu mający na zewnętrznej orbicie 1 elektron oddaje go atomowi chloru stając się jonem dodatnim. Z kolei atom chloru, który ma na zewnętrznej orbicie 7 elektronów, przyłączając jeden elektron staje się jonem ujemnym. Wiązanie powstaje na zasadzie kulombowskiego przyciągania się przeciwnych ładunków. Powstała cząsteczka NaCl jest elektrycznie obojetna, stanowi jednak dipol, co oznacza, że ma zaznaczone bieguny elektryczne. Umożliwia to łączenie się cząsteczek i tworzenie kryształu. Kryształy takie, zwane jonowymi, cechują się dużą wytrzymałością i twardością oraz wysoką temperaturą topnienia. Mają także skłonność do łupliwości wzdłuż płaszczyzn {100}. Wiązanie jonowe występuje głównie w kryształach halogenków pierwiastków alkalicznych i ziem alkalicznych.
11. Na czym polega wiązanie atomowe (kowalencyjne)? Wiązanie atomowe powstaje w wyniku powstawania par elektronów (o różnych spinach) wiążących atomy , co wynika z dążenia do tworzenia 2- lub 8- elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych. Uwspólnione elektrony przechodzą kolejno od jednego atomu do drugiego, zamieniając je w jony dodatnie, które są przyciągane przez elektrony znajdujące się między nimi. Tak np. atomy wodoru mogą być związane przez jedną parę elektronów, ale ogólna liczba par wiążących wynika z reguły 8-N (N - nr grupy układu okresowego). Stąd w tlenie są dwie, w azocie trzy, a w krzemie, germanie i węglu (diamencie) cztery pary wiążące (rys.4.3)(rys.4.3). Wiązanie atomowe jest bardzo silne i prowadzi do dużej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej temperatury topnienia. W kryształach krzemu i germanu umożliwia zachodzenie zjawiska półprzewodnictwa.
12. Na czym polega wiązanie van der Waalsa? Wiązanie to jest wynikiem powstawania chwilowych dipoli na skutek nierównomiernego rozkładu ładunków w chmurach elektronowych atomów. Te z kolei indukują dipole w sąsiednich atomach, co umożliwia ich wiązanie. Wiązanie to jest jednakże bardzo słabe (ok. 103 - 104 razy słabsze niż atomowe).
13. Na czym polega wiązanie metaliczne? Wiązanie metaliczne jest wynikiem oderwania się elektronów wartościowości (znajdujących się na ostatniej orbicie atomu) i utworzenia t.zw.gazu elektronowego, t.zn. że mogą one swobodnie poruszać się między dodatnimi jonami, wiążąc je ze sobą. Wiązanie to jest zgodne z teorią swobodnego elektronu (Drudego - Lorentza, Blocha). Elektrony swobodne łączą jony na zasadzie elektrostatycznego przyciągania. Jony są utrzymywane w typowych dla danego pierwiastka odległościach dzięki równowadze sił przyciągania między jonami i elektronami oraz odpychania między dodatnio naładowanymi jonami. Wiązanie metaliczne cechuje stosunkowo duża energia (pośrednia między wiązaniem jonowym i atomowym) i są bezkierunkowe. Wiązanie metaliczne prowadzi do dobrego przewodnictwa elektrycznego i cieplnego, oporności rosnącej z temperaturą, a poza tym dobrej plastyczności i metalicznego połysku.
14. Co to jest kryształ? Kryształ jest to ciało stałe, anizotropowe, w którym atomy są ułożone w periodycznie powtarzających się odstępach czyli podstawowych periodach identyczności (ppi), w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach. Spis treści
15. W jaki sposób można utworzyć sieć kryształu? Sieć kryształu można utworzyć poddając kolejno translacjom (przesunięciom o podstawowy period identyczności) jeden lub kilka atomów w trzech nierównoległych kierunkach.
16. Co to jest podstawowy period identyczności? Jest to najbliższa odległość atomów na prostej sieciowej. Różne proste sieciowe różnią się wielkością podstawowego periodu identyczności. Wszystkie proste równoległe mają taki sam ppi i są identyczne. Proste nierównoległe najczęściej różnią się ppi.
17. Co to jest prosta sieciowa? Prosta sieciowa jest wynikiem translacji punktu (atomu) w określonym kierunku. W krysztale jest nieskończenie wiele prostych sieciowych, gdyż każde dwa punkty (atomy) wyznaczają prostą sieciową.
18. Co to jest płaszczyzna sieciowa? Płaszczyzna sieciowa jest wynikiem poddania translacji prostej sieciowej w określonym kierunku, różnym jednak od kierunku prostej. Każde trzy punkty (atomy) nie leżące na jednej prostej wyznaczają płaszczyznę sieciową. W związku z tym płaszczyzn tych jest w krysztale nieskończenie wiele. Wszystkie płaszczyzny równoległe są identyczne i mają jednakowe odledłości międzypłaszczyznowe dhkl. Płaszczyzny nierównoległe mają najczęściej te odległości niejednakowe.
19. Co to jest sieć przestrzenna? Sieć przestrzenna powstaje w wyniku poddania płaszczyzny sieciowej translacji w kierunku nierównoległym do niej. W zależności od przyjętych kierunków translacji i wielkości ppi powstają różne układy krystalograficzne, różniące się kształtem komórek elementarnych i ich symetrią.
20. Co to jest komórka elementarna? Jest to obszar sieci przestrzennej wyodrębniony przez sześć płaszczyzn parami równoległych, mający kształt równoległościanu, którego krawędziami są trzy podstawowe peridy identyczności (rys.5.1)(rys.5.1). W danej sieci istnieje wiele sposobów wybrania komórki elementarnej, jednakże staramy się aby miała ona najprostszy kształt geometryczny, np. prostopadłościanu lub sześcianu. Wymiar i kształt komórki elementarnej można opisać za pomocą sześciu parametrów sieci: trzech kątowych (kątów między nierównoległymi krawędziami komórki a, b, g) oraz trzech ppi (a0, b0, c0).
21. Co to jest komórka sieciowa? Komórka sieciowa składa się z kilku komórek elementarnych, Tak na przykład komórka sieciowa układu heksagonalnego A3 mająca oś symetrii 6 - krotnej składa się z trzech komórek elementarnych, co pokazano na (rys.5.2)rys.5.2.
22. Co to są wskaźniki prostej sieciowej? Są to liczby całkowite służące do oznaczania prostej sieciowej. Przyjęto oznaczać je literami u,v,w. Określają one współrzędne najbliższego punktu leżącego na danej prostej, identycznego z początkiem układu ( znaczy to, że drugi punkt powstał przez translasję pierwszego). Wskaźniki zapisuje się w nawiasach [ ], gdy chodzi o konkretną prostą albo proste równoległe lub < >, gdy chcemy oznaczyć rodzinę nierównoległych prostych. Na (rys.5.3)rys.5.3 pokazano wskaźnikowanie prostych sieciowych w komórce układu regularnego.
23. Jak praktycznie można określić wskaźniki prostej sieciowej? Na prostej sieciowej wybiera się punkt, który jest początkiem układu współrzędnych i najbliższy punkt (identyczny z pierwszym), którego współrzędne chcemy określić. … Z pierwszego przemieszczamy się do drugiego wzdłuż osi x,y,z, licząc podstawowe periody identyczności i uwzględniając ujemne zwroty tych osi. ….Wskaźniki zapisujemy w nawiasach [ ], oznaczając ujemną wartość wskaźnika nad liczbą (np.-1) lub w nawiasach < >, gdy chcemy oznaczyć zbiór permutacji wskaźników (są to proste nierównoległe o jednakowych ppi, wynikające z symetrii sieci (np. wszystkie przekątne ścian komórki sześciennej oznaczamy <110>.…..Znak - powinien znajdować się nad cyfrą 1. Z powodów technicznych nie da się przedstawić tego inaczej w niniejszej wersji publikacji.
24. Napisz wskaźniki następujących kierunków komórki sześciennej:
osi x,y,z (tj.krawędzi komórki),
przekątnych ścian,
przekątnych przestrzennych
.…Ad a: [100],[010],[001] = <100>
…. Ad b: [110],[101],[011],[1-10],[10-1],[01-1] = <110>
…..Ad c: [111],[ -111],[1-11],[11-1] = <111> Przykładowe oznaczenia kierunków pokazano na (rys.5.3)rys.5.3.
25. Co to są wskaźniki płaszczyzny sieciowej? Wskaźnikami płaszczyzny sieciowej nazywamy liczby, które wskazują na ile części płaszczyzna najbliższa początku układu dzieli podstawowy period identyczności danej osi. Wskaźniki oznacza się literami h,k,l, odpowiednio dla osi x,y,z. Jeśli wskaźniki są liczbami pierwszymi (nie mają wspólnego podzielnika) nazywamy je wskaźnikami Millera, jeśli nie wskaźnikami Bragga.
26. Jakie są zasady zapisu wskaźników płaszczyzn sieciowych? Zasady są podobne jak przy zapisie prostych sieciowych, z tym że ujmuje się je w nawiasy ( ),jeśli odnoszą się do konkretnej płaszczyzny, względnie płaszczyzn równoległych lub w nawiasy { }, gdy chcemy wyrazić rodzinę płaszczyzn powstałych przez permutację wskaźników (ich wspólną cechą jest jednakowa odległość międzypłaszczyznowa dhkl. Jeśli któryś wskaźnik jest równy 0, oznacza to że ta płaszczyzna jest równoległa do osi, z którą jest związany dany wskaźnik.
27. Podaj przykłady wskaźnikowania różnych płaszczyzn komórki sześciennej? -- Ściany komórki mają wskaźniki (100),(010),(001) = {100}. - Przekątne przestrzenne równoległe do jednej osi mają wskaźniki (110),(101),(011),(1-10),(10-1),(01-1) = {110}.- Przekątne przestrzenne nierównoległe do osi mają wskaźniki (111),(1-11),(11-1),( -111) = {111}. Przykładowe oznaczenie płaszczyzn pokazano na (rys.5.3)rys.5.3.
28. Co to jest pas krystalograficzny? Wszystkie płaszczyzny przecinające się wzdłuż jednej prostej sieciowej, a tym samym równoległe do wspólnego kierunku, należą do wspólnego pasa krystalograficznego, a kierunek ten jest osią tego pasa. Równanie przynależności pasowej ma postać: hu + kv + lw = 0.
29. Wymień układy krystalograficzne i podaj ich cechy: Układy krystalograficzne różnią się parametrami sieci tj. kątami między osiami i podstawowymi periodami identyczności. Istnieje siedem układów krystalograficznych, według których można sklasyfikować wszystkie znane kryształy. W niektórych kryształach można dodatkowo wyodrębnić różne typy sieci. Wynikają one z przyjęcia różnej liczby nieidentycznych punktów, z których powstaje sieć przez ich translacje. Z tym wiąże się różna liczba atomów przypadających na elementarną komórkę. Do najważniejszych układów zaliczamy: - Układ regularny , a0= b0= c0 oraz a = b = g = 90°. Kształt komórki elementarnej sześcienny. Najczęściej występują dwa typy sieci: A1 (RSC)- ściennie centrowana - 4 atomy na komórkę i A2 (RPC)- przestrzennie centrowana - 2 atomy na komórkę (pozostałe cechy jak w A1). - Układ tetragonalny a0= b0 <> c0 oraz a = b = g = 90°. Komórka ma kształt prostopadłościanu. - Układ heksagonalny a0= b0 <> c0 oraz a = b = 90°, g= 120°. Prócz tego występują następujące układy: rombowy, romboedryczny, jednoskośny i trójskośny, których znaczenie jest mniejsze.
30. Opisz komórki elementarne A1 i A2 i zaznacz rozmieszczenie atomów. Komórka A1 jako ściennie centrowana jest sześcianem, w którym atomy są rozmieszczone na narożach i na środkach ścian (rys.5.5)(rys.5.5). Dlatego jest też stosowane oznaczenie RSC. Komórka A2 jako przestrzennie centrowana jest sześcianem, w którym atomy są rozmieszczone na narożach i w środku sześcianu (rys.5.6)(rys.5.6). Dlatego jest też stosowane oznaczenie RPC.
31. Opisz komórkę układu heksagonalnego. Komórka elementarna układu heksagonalnego A3 jest graniastosłupem o podstawie rombu z kątami 60° i 120°. Atomy są rozmieszczone na narożach i w połowie wysokości komórki. Na jedną komórkę przypada 2 atomy. Trzy komórki elementarne tworzą komórkę sieciową o symetrii sześciokrotnej (jedna oś L6)-(rys.5.2)(rys.5.2).
32. Wymień metale mające struktury krystaliczne A1, A2, A3. Sieć A1- Fe-g, Al, Cu, Ag, Pt, Ni, Pb - cechują się dużą powściągliwością.Sieć A2 - Fe-a, Ti-a, V, Mn-a, Cr, Mo, W - niezbyt ciągliwe.Sieć A3 - Zn, Mg, Cd, Ti-b, Zr-b, Co-b - niezbyt ciągliwe
33. Jakie są możliwości sekwencji ułożenia płaszczyzn o najgęstszym wypełnieniu atomami i do jakich to prowadzi typów sieci? Płaszczyzny o najgęstszym wypełnieniu atomami to takie, w których trzy sąsiednie atomy stykają się ze sobą i ich środki ciężkości tworzą trójkąty równoboczne. Okazuje się, że takie płaszczyzny można ułożyć (jedna nad drugą) na dwa różne sposoby: ABABAB..., gdy co druga płaszczyzna znajduje się nad pierwszą - prowadzi to do sieci A3 (rys.5.7)(rys.5.7) i ABCABCABC..., gdy co trzecia płaszczyzna znajduje się nad pierwszą - prowadzi to do sieci A1 (rys.5.8)(rys.5.8). Okazuje się, że kolejność ułożenia płaszczyzn prowadzi do różnych sieci, o różnych własnościach, a poza tym mogą występować zaburzenia w kolejności ułożenia płaszczyzn (np. ABC w sieci A3 lub ABA w sieci A1), co nazywamy błędami ułożenia. Błędy ułożenia, a zwłaszcza ich energia, wywierają istotny wpływ na własności metali.
34. Jakie metale posiadają odmiany alotropowe? Do metali posiadających odmiany alotropowe należy żelazo z odmianami Fe-a o sieci A2, Fe-g o sieci A1 i Fe-d (zwana także wysokotemperaturową odmianą a) o sieci A2, cyna z odmianami Sn-a i Sn-b, a poza tym mangan, kobalt, tytan i inne
morticore