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