GLAVA 3 KRISTALNE STRUKTURE I OSOBINE PITANJA OD

GLAVA 3: KRISTALNE STRUKTURE I OSOBINE PITANJA OD ZNAČAJA. . . • Kako se atomi raspoređuju u čvrstim strukturama? (za sada, fokusirati se na metale) • Kako gustina materijala zavisi od njegove strukture? • U kojim slučajevima će se osobine materijala menjati sa orijentacijom uzorka (npr. dela)? Chapter 3 - 1

ENERGIJA I PAKOVANJE • Ne gusto, proizvoljno pakovanje • Gusto, pravilno pakovanje Guste, pravilno-pakovane strukture teže da imaju nižu energiju. Chapter 3 - 2

MATERIJALI I PAKOVANJE Kristalni materijali. . . • atomi raspoređeni u periodične, 3 D rešetke • tipično kod: -metala -mnogih keramika -nekih polimera kristal Si. O 2 Materijali koji nisu kristalni. . . • atomi nisu periodično raspoređeni • javlja se kod: -kompleksnih struktura -brzog hlađenja "Amorfan" = Nije kristalan nekristalan Si. O 2 Chapter 3 - 3

METALNI KRISTALI • teže da budu gusto pakovani. • imaju nekoliko uslova za gusto pakovanje: -Tipično, samo jedan element je prisutan, pa su svi atomski radijusi jednaki. -Metalna veza nije usmerena. -Najbliže susedno rastojanje teži da bude što manje kako bi bila manja energija veze. • imaju najjednostavniju kristalnu strukturu. Posmatraćemo tri takve strukture. . . Chapter 3 - 4

PROSTA KUBNA REŠETKA (PK) • Retka zbog slabog pakovanja (samo Po ima ovu strukturu) • Gusto-pakovani pravci su ivice kocke. • Koordinacioni broj = 6 (broj najbližih suseda) Chapter 3 - 5

KOEFICIJENT ISPUNJENJA REŠETKE • KIR za prostu kubnu rešetku = 0. 52 Chapter 3 - 6

KUBNA PROSTORNO CENTRIRANA REŠETKA (KZC) • Gusto pakovani pravci su dijagonale kocke. --Napomena: Svi atomi su identični; centralni atom je osenčen samo zbog lakšeg uočavanja. • Koordinacioni br. = 8 Chapter 3 - 7

KOEFICIJENT ISPUNJENJA : KZC • KIR za kubnu prostorno-centriranu rešetku = 0, 68 Chapter 3 - 8

KUBNA POVRŠINSKI CENTRIRANA REŠETKA (KPC) • Gusto pakovani pravci su dijagonale strana. --Napomena: Svi atomi su identični; površinski-centrirani atomi su osenčeni radi lakšeg uočavanja. • Koordinacioni br. = 12 Chapter 3 - 9

KOEFICIJENT ISPUNJENJA REŠETKE: KPC • KIR za kubnu površinski-centriranu rešetku = 0, 74 Chapter 3 - 10

REDOSLED PAKOVANJA KPC • ABCABC. . . Redosled pakovanja • 2 D Projekcija • KPC jedinična ćelija Chapter 3 - 11

HEKSAGONALNA GUSTO PAKOVANA REŠETKA (HGP) • ABAB. . . Redosled pakovanja • 3 D Projekcija • 2 D Projekcija • Koordinacioni br. = 12 • KIR = 0, 74 Chapter 3 - 12

STRUKTURA JEDINJENJA: Na. Cl • Jedinjenja: Često imaju slične gusto pakovane rešetke. • Struktura Na. Cl • Gusto pakovani pravci --duž ivica kocke. Chapter 3 - 13

TEORIJSKA GUSTINA, r Primer: bakar Podaci sa tabele (videti sledeći slajd): • kristalna rešetka = KPC: 4 atoma/jed. ćelija • atomska težina = 63, 55 g/mol (1 j. a. m. = 1 g/mol) • radijus atoma R = 0, 128 nm (1 nm = 10 -7 -7 cm) Chapter 3 - 14

Karakteristike nekih elemenata na 20°C Chapter 3 - 15

GUSTINE NEKIH KLASA MATERIJALA Zašto? Metali imaju. . . • gusto pakovanu (metalna veza) • veliku atomsku masu Keramike imaju. . . • manje gusto pakovanje (kovalentnu vezu) • često laki elementi Polimeri imaju. . . • loše pakovanje (česta amorfnost) • lake elemente (C, H, O) Kompoziti imaju. . . • prosečne veličine Chapter 3 - 16

KRISTALI KAO OSNOVNI ELEMENTI • Neke inženjerske primene zahtevaju monokristale: --dijamantski monokristali za abrazive --turbinske lopatice • Osobine kristala otkrivaju karakteristiku atomske strukture. --npr. : U nekim kristalografskim ravnima kvarc se lomi lakše nego u drugim. Chapter 3 - 17

POLIKRISTALI • Većina inženjerskih materijala su polikristali. 1 mm • Nb-Hf-W ploča zavarena elektronskim snopom. • Svako “zrno" je monokristal. • Ako su kristali proizvoljno orijentisani, makroskopske osobine komponente nisu usmerene. • Tip veličine kristala je u rasponu od 1 nm do 2 cm (na pr. , od nekoliko do više miliona atomskih slojeva). Chapter 3 - 18

MONO- I POLIKRISTALI • Monokristali -Osobine se menjaju sa pravcem: anizotropija. -Primer: modul elastičnosti (E) za KZC železo: • Polikristali -Osobine se mogu/se ne mogu menjati sa pravcem. -Ako su zrna proizvoljno orijentisana: izotropija. 200 mm (Epolikr. železo = 210 GPa) -Ako zrna imaju teksturu, to je anizotropija. Chapter 3 - 19

X-ZRACI SU POTVRDILI KRISTALNU STRUKTURU • Upadni X-zraci trpe difrakciju u kristalnim ravnima. • Merenjem: Kritičnih uglova, qc, X-zraka određuje se međuatomsko rastojanje, d. Chapter 3 - 20

SKENIRAJUĆA TUNELSKA MIKROSKOPIJA • Atomi se mogu preurediti i snimiti! Molekuli ugljen monoksida preuređeni na ravni platine (111). Atomi železa preuređeni na ravni (111) bakra. Ovi Kendži znakovi predstavljaju reč “atom”. Chapter 3 - 21

DEMO: ZAGREVANJE I HLAĐENJE GVOZDENE ŽICE • Demonstracija "polimorfizma" Isti atomi mogu imati više od jedne kristalne rešetke. Chapter 3 - 22

ZAKLJUČAK • Atomi se mogu rasporediti u kristalne ili amorfne strukture. • Moguće je odrediti gustinu materijala, ako znamo atomsku težinu, radijus atoma i geometriju kristala (na pr. , KPC, KZC, ili HGP). • Osobine materijala se generalno menjaju sa orijentacijom monokristala (na pr. , anizotropija), ali osobine su u opštem slučaju neusmerene (na pr. , izotropija) kod polikristala sa proizvoljnom orijentacijom zrna. Chapter 3 - 23